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1、 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計西 安 電 子 科 技 大 學 機 電 工 程 學 院測 控 工 程 與 儀 器 系 賀 華 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 自 動 測 試 技 術 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 2.1 儀 器 中 單 片 機 的 工 作 模式 與 端 口 特 性 2.2 存 貯 系 統(tǒng) 的 擴 展 設 計 2.3 儀 用 鍵 盤 系 統(tǒng) 設 計 2.4 數(shù) 據(jù) 顯 示 系 統(tǒng) 設 計 自 動 測 試 技 術 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計2.3儀用鍵盤系統(tǒng)設計鍵盤操作是自動測試儀器區(qū)別于
2、其它傳統(tǒng)儀器的主要特征之一。幾乎所有以計算機為 核心的自動測試儀器，都一改傳統(tǒng)儀器的波段開關和琴鍵開關方式而采用按鍵來實現(xiàn)儀器 功能選擇、量程的切換等各種儀器功能的控制。因此，鍵盤設計是智能儀器設計的重要內(nèi)容。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計2.3儀用鍵盤系統(tǒng)設計鍵盤操作是自動測試儀器區(qū)別于其它傳統(tǒng)儀器的主要特征之一。幾乎所有以計算機為 核心的自動測試儀器，都一改傳統(tǒng)儀器的波段開關和琴鍵開關方式而采用按鍵來實現(xiàn)儀器 功能選擇、量程的切換等各種儀器功能的控制。因此，鍵盤設計是智能儀器設計的重要內(nèi)容。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 第 2章 智 能 儀
3、 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計提綱：2.3.1 分立式鍵盤 2.3.2 矩陣式鍵盤 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計231 分立式鍵盤 一、 儀用鍵盤的特點 按鍵按照結構原理可分為兩類，一類是觸點式開關按鍵，如機械式開關、導電橡膠式開關等；另一類是無觸點式開關按鍵，如電氣式按鍵，磁感應按鍵等。前者造價低，后
4、者壽命長。目前，儀器中最常見的是觸點式開關按鍵。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計單片機儀器的鍵盤組織方法按儀器功能不同有多種不同的形式。有簡單分立連接方式的，也有矩陣連接方式的；有非編碼直接識別方式的，也有編碼后輸入識別方式的； 有一鍵一義的，也有一鍵多義的等等，十分靈活。但是，不管是哪種方式，其基本特點是一樣的。 按鍵按照接口原理可分為編碼鍵盤與非編碼鍵盤兩類，這兩類鍵盤的主要區(qū)別是識別鍵符及給出相應鍵碼的方法。編碼鍵盤主要是用硬件來實現(xiàn)對鍵的識別，非編碼鍵盤主要是由軟件來實現(xiàn)鍵盤的定義與識別。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 (1) 一個按鍵實際
5、上是一個開關。按鍵的電路狀態(tài)經(jīng)計算機識別后既可以用來表示一個數(shù)字，也可以用來表示一種或多種儀器的功能選擇命令或某種儀器功能的控制過程。 鍵盤通常使用機械觸點式按鍵開關，其主要功能是把機械上的通斷轉(zhuǎn)換成為電氣上的邏輯關系。也就是說，它能提供標準的TTL邏輯電平，以便與通用數(shù)字系統(tǒng)的邏輯電平相容。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計按鍵開關:自鎖開關KFC-5.8/無鎖開關KFC-5.8 自鎖開關一般是指開關自帶機械鎖定功能，按下去，松手后按鈕是不會完全跳起來的，處于鎖定狀
6、態(tài)，需要再按一次，才解鎖完全跳起來。 它就叫自鎖開關。早期的直接完全斷電的電視機、顯示器就是使用的這種開關。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計在單片機應用系統(tǒng)中，除了復位按鍵有專門的復位電路及專一的復位功能外，其它按鍵都是以開關狀態(tài)來設置控制功能或輸入數(shù)據(jù)的。當所設置的功能鍵或數(shù)字鍵按下時，計算機應用系統(tǒng)應完成該按鍵所設定的功能，鍵信息輸入是與軟件結構密切相關的過程。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 (2) 鍵盤設計包括硬件電路設計和鍵盤掃描識別程序設計兩個方面。兩者是緊密關聯(lián)，相輔相成的。鍵盤組織形式不同，相應的鍵盤程序設計方法也不同。 (3) 鍵盤
7、掃描控制有定時查尋法和中斷控制法兩種。不論哪種方法都要實現(xiàn)以下 3 個 過程： 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 要對鍵盤狀態(tài)進行掃描，判別其中是否有鍵按下。若無鍵按下，則可以跳出鍵盤程序。 在掃描到有鍵按下時要對鍵盤狀態(tài)進行進一步的識譯， 識別是哪個鍵按下了，譯出它的鍵碼，以便進一步處理。 計算機將所得到按鍵的鍵碼和事前設計好的鍵碼鍵義表進行查對比較，進行鍵義分析， 了解按鍵的具體作用，以便計算出對應處理程序的入口地址或得知相應的處理方法，以便轉(zhuǎn)去完成按鍵所對應的操作功能。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 (4) 按鍵是一種彈性元件，某個按鍵按下后總
8、是會出現(xiàn)瞬時性的彈跳現(xiàn)象，很容易被計算機誤識有多次的按鍵效果。大部分按鍵是機械觸點（彈性金屬簧片）,由于機械觸點的彈性及電壓突跳等原因,通常伴隨有一定時間的觸點機械抖動，然后其觸點才穩(wěn)定下來。因此，在觸點閉合和斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動,抖動的時間長短取決于開關元件的機械特性。其抖動過程如圖所示，抖動時間的長短與開關的機械特性有關，一般為510 ms。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 圖 按鍵觸點的機械抖動 閉合穩(wěn)定鍵按下前沿抖動后沿抖動 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 在觸點抖動期間檢測按鍵的通與
9、斷狀態(tài)，可能導致判斷出錯，即按鍵一次按下或釋放被錯誤地認為是多次操作，這種情況是不允許出現(xiàn)的。為了克服按鍵觸點機械抖動所致的檢測誤判，必須采取去抖動措施。這一點可從硬件、軟件兩方面予以考慮。在鍵數(shù)較少時，可采用硬件去抖，而當鍵數(shù)較多時，采用軟件去抖。 在硬件上可采用在鍵輸出端加R-S觸發(fā)器(雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器)或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構成去抖動電路。圖是一種由R-S觸發(fā)器構成的去抖動電路，當觸發(fā)器一旦翻轉(zhuǎn)，觸點抖動不會對其產(chǎn)生任何影響。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計電路工作過程如下：按鍵未按下時，a = 0，b = 1，輸出Q = 1。按鍵按下時，因按鍵的機械彈性作用的影響，使按鍵產(chǎn)生
10、抖動。當開關沒有穩(wěn)定到達b端時，因與非門2輸出為0反饋到與非門1的輸入端，封鎖了與非門1，雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)不會改變，輸出保持為1，輸出Q不會產(chǎn)生抖動的波形。當開關穩(wěn)定到達b端時，因a = 1，b = 0，使Q = 0，雙穩(wěn)態(tài)電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當釋放按鍵時，在開關未穩(wěn)定到達a端時，因Q = 0，封鎖了與非門2，雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)不變，輸出Q保持不變，消除了后沿的抖動波形。當開關穩(wěn)定到達a端時，因a = 0，b = 0，使Q = 1，雙穩(wěn)態(tài)電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出Q重新返回原狀態(tài)。由此可見，鍵盤輸出經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)電路之后，輸出已變?yōu)橐?guī)范的矩形方波。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計軟件上
11、采取的措施是：在檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一個10 ms左右（具體時間應視所使用的按鍵進行調(diào)整）的延時程序后，再確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，若仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認該鍵處于閉合狀態(tài)。同理，在檢測到該鍵釋放后，也應采用相同的步驟進行確認，從而可消除抖動的影響。 儀用鍵盤都應采取防彈跳、防重識的軟硬件措施。防抖就是讓在按鍵正常反應時間內(nèi)機器只感應一次按鍵效果，防止誤操作 。不同的按鍵最長抖動時間不同，一般為5-10ms，某些開關有時長達20ms，甚至更長。 硬件去抖，軟件去抖。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計二、非編碼分立連接式鍵盤設計 圖2-24是一種非編碼分立連
12、接式鍵盤電路（獨立式按鍵結構）。在這種方法中每個按鍵分別與單片機的一個I/O口相連，它們的作用是互相獨立的，單片機只要簡單地讀取它們的電路狀態(tài)，就可按事前規(guī)定的功能進行鍵盤操作。 圖中用一個與門產(chǎn)生所需的中斷信號，任一個按鍵按下時都會產(chǎn)生一個中斷請求， 單片機實行中斷服務讀取鍵盤信息并執(zhí)行相應的功能程序。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計圖 2-24 非編碼分立式鍵盤 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 例 2-1 若圖 2-25 是一個以 8031 為主機的儀器功能鍵電路，試設計鍵盤操作程序。 設計： 設鍵盤電路接在 8031 的 P1 口 。K0 K7
13、 每一個命令鍵都有一個相應的儀器功能子程序與之對應， K0 的功能程序起址為 SEVK0 ，K1 的功能程序起址為 SEVK1 ，等等。功能程序編寫如下： 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計SEVK0 ： ；執(zhí)行 K0 功能程序 POP A POP PSW RETI SEVK1 ： ；執(zhí)行 K1 功能程序 RETI ；執(zhí)行 Ki 功能程序 SEVK7 ： ；執(zhí)行 K7 功能程序 RETI 任一個鍵按下后，單片機進入中斷服務，先從 P1 口讀取按鍵的狀態(tài) ，經(jīng)識別后轉(zhuǎn)向指定的程序入口進行儀器功能操作，中斷服務完成后會自動返回。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設
14、計P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3 P1.2P1.1P1.0圖 2-24b Mcs51的非編碼分立式鍵盤 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計IQRP ： PUSH PSW PUSH A JNB P1.0 ， SEVK0 ；是 K0 按下 ? JNB P1.1 ， SEVK1 ；是 K1 按下 ? JNB P1.7 ， SEVK7 ；是 K7 按下 ? POP A POP PSW RETI SEVK0 ： ；執(zhí)行 K0 功能程序 POP A POP PSW RETI SEVK1 ： ；執(zhí)行 K1 功能程序 RETI ；執(zhí)行 Ki 功能程序 SEVK7 ： ；執(zhí)行 K7
15、功能程序 RETI 以上程序也可改用定時查詢法實現(xiàn)，讀者可自行練習之。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 非編碼分立連接式鍵盤電路（獨立式按鍵結構）配置靈活，軟件結構簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線浪費較大，不宜采用。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計三、編碼分立連接式鍵盤設計上述非編碼式鍵盤連接的缺點是占用單片機端口多。如果采用先編碼后輸入的方法， 可以減少對單片機的端口的占用數(shù)。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計圖 2-25 示出了一個簡單的例子，圖中采用一只 16 線 4 線編碼器，先對 1
16、6 個開關量輸入進行邏輯編碼，得到 16 種 4 位二進制代碼，每一種代碼表示一個開關的有效輸入。因此計算機只需讀取4 位二進制數(shù)據(jù)就能識別 16個鍵中是哪個按鍵在操作，可見編碼式鍵盤可以節(jié)省輸入端口。 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 圖 2-25 編碼分立式鍵盤 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計下面程序中設單片機為 8031 ， K0 K9是十個數(shù)字鍵，KAKF為6個功能命令鍵，各儀器功能程序的入口地址為SKA 、SKB 、，且命令表首址為 COMATB ，用中斷方式來讀取 P1.3 P1.0 端口鏈碼數(shù)據(jù)并進行識譯。 SKA ： ； 儀器功能 A
17、操作程序 RETI ； A 操作完成以后返回中斷前狀態(tài) SKB ： ； 功能 B 操作程序 RETI SKF ： ； 功能 F 操作程序 RETI 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 P1.3P1.2P1.1P1.0 圖 2-25b 編碼分立式鍵盤 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 SKYSEV ： MOV A ， P1 ；讀取鍵值 ANL A ， #0FH ；算出鍵碼 CJNE A ， #0AH ， SKY1 ；鍵義分析 AJMP SKY2 ；鍵碼為 0AH 時，執(zhí)行命令操作 SKY1 ： JNC SKY2 ；鍵碼大于 0AH 時也為命令鍵 ；鍵碼小于1
18、0為數(shù)字鍵，進行相應的操作 MOV R0 ， R3 ；R3 是數(shù)據(jù)存貯緩沖區(qū)指針 MOV R0 ， A ；將數(shù)字存入指定單元中 INC R3 ；數(shù)據(jù)存貯指針加 l RETI ；中斷返回 SKY2 ： CLR C ；命令鍵時，先求命令表偏移量 SUBB A ， #0AH MOV R4 ， A ADD A ， R4 ；求得命令表偏移量 MOV DPTR ， #COMATB ；取命令表首址 JMP A+DPTR ；執(zhí)行表中命令 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計COMATB ： AJMP SKA ；再去執(zhí)行具體的儀器功能程序 AJMP SKB AJMP SKF SKA ： ； 儀器功能 A 操作程序 RETI ； A 操作完成以后返回中斷前狀態(tài) SKB ： ； 功能 B 操作程序 RETI SKF ： ； 功能 F 操作程序 RETI 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計00H01H02H03H 09H 命令鍵的序號0AH 00H 0BH 01H0CH 02H0DH 03H0EH 04H0FH 05H鍵碼： 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計 AJMP SKA A10 A9 A8 0 0001, A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 第 2章 智 能 儀 器 基 本 系 統(tǒng) 的 設 計
自動測試技術講稿-第二章
