設(shè)計(jì)采用高性能單片機(jī)C8051F020為控制芯片,，監(jiān)控示波器面板上40個(gè)按鍵、3個(gè)編碼開(kāi)關(guān)及4個(gè)電位器的狀態(tài),。分別介紹了鍵盤,、編碼開(kāi)關(guān)和電位器的工作原理，以及其與單片機(jī)連接的硬件電路及軟件編程的實(shí)現(xiàn),。按鍵部分采用一鍵多義的鍵盤程序設(shè)計(jì)方法,，給出了鍵碼匹配子程序流程圖。
 
監(jiān)控程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)中全部硬件和軟件資源的分配,、調(diào)度工作,，它提供用戶接口，使用戶獲得友好的工作環(huán)境,，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要組成部分,。
 
1 C8051F020單片機(jī)概述
 
伴隨著電子技術(shù)快速的發(fā)展，越來(lái)越多的人加入電子開(kāi)發(fā)的大軍,。在學(xué)習(xí)電子技術(shù)和研發(fā)項(xiàng)目的過(guò)程中,，避免不了要使用一些儀器，例如萬(wàn)用表,、示波器等等,，然而對(duì)于一些非專業(yè)的愛(ài)好者，擁有一臺(tái)數(shù)字示波器是比較“奢侈”的,。本設(shè)計(jì)C8051F020單片機(jī),，因其具有成本低、制作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高等優(yōu)勢(shì),，恰恰滿足了這一部分人的需求,。
 
C8051F020單片機(jī)是高度集成的片上系統(tǒng)。在芯片內(nèi)集成了2個(gè)多通道ADC子系統(tǒng)（每個(gè)子系統(tǒng)包括1個(gè)可編程增益放大器和1個(gè)模擬多路選擇器）,、2 個(gè)電壓輸出DAC,、2個(gè)電壓比較器、電壓基準(zhǔn),、SMBus／I2C總線接口,、UART、SPI總線接口,、5個(gè)通用的16位定時(shí)器,、1個(gè)具有5個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列（PCA）、內(nèi)部振蕩器,、8個(gè)8位通用數(shù)字I／0端口和64 KBFLASH程序存儲(chǔ)器,，以及8051兼容的高速微控制器內(nèi)核。
 
C8051F020單片機(jī)是所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置,。Flash 存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力,，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051 固件,。片內(nèi)JTAG 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU 進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）,、全速、在系統(tǒng)調(diào)試,。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器,，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn),、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令,。在使用JTAG 調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行,。
 
Cygnal出的一種混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī),。片內(nèi)含CIP－51的CPU內(nèi)核，它的指令系統(tǒng)與MCS－51完全兼容,。其中的C8051F020單片機(jī)含有64kB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器,，4352B的RAM、8個(gè)I／O端口共64根I／O口線,、一個(gè)12位A／D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)8位A／D轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)雙12位D／A轉(zhuǎn)換器,、2個(gè)比較器、5個(gè)16位通用定時(shí)器,、5個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)／定時(shí)器陣列,、看門狗定時(shí)器,、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機(jī)支持雙時(shí)鐘,，其工作電壓范圍為2.7～3.6V（端口I/O,RST和JTAG引腳的耐壓為5V）,。與以前的51系列單片機(jī)相比，C8051F020增添了許多功能,，同時(shí)其可靠性和速度也有了很大提高,。
 
2 一鍵多義鍵盤工作原理
 
一臺(tái)完善的智能儀表功能往往很多，設(shè)定的量程,、參數(shù)也很多。如果還是用一鍵一個(gè)功能,，勢(shì)必要有一個(gè)很大的鍵盤,，面板相應(yīng)擴(kuò)大，不美觀,，而且成本增加,。因此在這類儀表中，鍵盤設(shè)計(jì)成一鍵多義,，一個(gè)鍵有多種功能,。
 
在一鍵多義的情況下，一個(gè)命令不是由一次按鍵組成,，而是由一個(gè)按鍵序列組成,。也就是說(shuō)，對(duì)一個(gè)按鍵含義的解釋,，不僅取決于本次按鍵,，還取決于以前按了些什么鍵。因此,，對(duì)于一鍵多義的監(jiān)控程序,，首先要判斷一個(gè)按鍵序列（而不是一次按鍵）是否已構(gòu)成一個(gè)合法命令。若已構(gòu)成合法命令,，則執(zhí)行命令,，否則等待新按鍵輸入。一鍵多義鍵盤管理程序,，主要解決鍵盤按鍵序列的識(shí)別和如何根據(jù)鍵盤的按鍵序列去找相應(yīng)的操作程序這兩個(gè)問(wèn)題,。
 
上述問(wèn)題可用“一圖三表”的方法來(lái)解決。即,，建立一張鍵圖,，依靠分析程序狀態(tài)表，分析程序入口表和動(dòng)作例行子程序表來(lái)完成,。其中分析程序狀態(tài)表總共分為4欄,，分別為現(xiàn)狀態(tài)PSTi,、鍵碼、下一狀態(tài),、動(dòng)作例行子程序編號(hào),。
 
3 編碼開(kāi)關(guān)工作原理
 
編碼開(kāi)關(guān)有3個(gè)引腳和5個(gè)引腳的，其中2個(gè)引腳是按下功能,，另外3個(gè)引腳控制編碼開(kāi)關(guān)的左旋和右旋功能,，與引腳1、2相連的是兩個(gè)長(zhǎng)短不一的金屬靜片,，與引腳3相連的是一周有12或24個(gè)齒的金屬動(dòng)片,。當(dāng)脈沖電位器旋轉(zhuǎn)時(shí)可出現(xiàn)4種狀態(tài)：引腳3與引腳1相連，引腳3與引腳2及引腳1全相連,，引腳3與引腳2 相連,，引腳3與引腳2及引腳1全斷開(kāi)。
 
在實(shí)際使用中,，一般將引腳3接地作為數(shù)據(jù)輸入端,。而引腳1、2作為數(shù)據(jù)輸出端與單片機(jī)I／0口相連,。本設(shè)計(jì)中用到3個(gè)編碼開(kāi)關(guān),，其中一個(gè)將引腳1與單片機(jī)的P4.0相連，引腳2與單片機(jī)的P4.1相連,。當(dāng)脈沖電位器左旋或右旋時(shí),，P4.0和P4.1就會(huì)周期性地產(chǎn)生圖1所示的波形。如果是12點(diǎn)的脈沖電位器旋轉(zhuǎn)一圈就會(huì)產(chǎn)生12組這樣的波形,，24點(diǎn)的脈沖電位器就會(huì)產(chǎn)生24組這樣的波形,。一組波形（或一個(gè)周期）包含了4個(gè)工作狀態(tài)。因此只要檢測(cè)出P4.O 和P4.1的波形,，就能識(shí)別脈沖電位器是否旋轉(zhuǎn),，是左旋還是右旋。

4 C8051F020單片機(jī)ADC0
 
C8051F020的ADC0子系統(tǒng)包括：一個(gè)9通道的可配置模擬多路開(kāi)關(guān)（AMUX0）,、一個(gè)可編程增益放大器（PGA0）和一個(gè)100 ksps的12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC,。ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。AMUX0,、PGA0,、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測(cè)器都可用軟件通過(guò)特殊功能寄存器來(lái)配置。只有當(dāng)ADC0控制寄存器（ADCOCN）中的ADOEN位被置1時(shí),，ADC子系統(tǒng)才被允許工作,。當(dāng)ADOEN位為0 時(shí)，ADC子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式,。
 
ADC0端口的每一對(duì)均可用編程設(shè)置成為單端輸入或差分輸入,。差分輸入時(shí)的端口配對(duì)為（0,，1）、（2,，3）,、（4，5）,、（6,，7），此設(shè)置由通道選擇寄存器AMUXOSL的低4位和通道配置寄存器AMUXOCF的低4位確定,。在AMXOCF中,，位3～O各對(duì)應(yīng)2個(gè)引腳通道。位值=0,，表示是獨(dú)立的單端輸入（復(fù)位值均為單端輸入）,；位值=1，表示是差分輸入對(duì),。
 
C8051F系列單片機(jī)中ADC的速率都是可編程設(shè)置的，但最少要用16個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘,。一般在轉(zhuǎn)換之前還自動(dòng)加上3個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的跟蹤／保持捕獲時(shí)間 （>1.5μs）,。設(shè)置F020內(nèi)ADC速率的方法是通過(guò)配置寄存器ADCOCF的位7～3來(lái)進(jìn)行的，其復(fù)位值為11111（位 7～3=SYSCLK／CLK（SAR）-1）,。
 
一般在啟動(dòng)ADC之前都要處于跟蹤方式,，控制寄存器ADCOCN的位6如果為“O”，則一直處于跟蹤方式（此時(shí)啟動(dòng)4種啟動(dòng)方式都可比跟蹤啟動(dòng)快3個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘）,；如為“1”,，則有4種跟蹤啟動(dòng)方式可選擇，即對(duì)ADCOCN中的位3～2賦值：00為向ADBUSY寫(xiě)1時(shí)跟蹤（軟件命令）,，01為定時(shí)器3溢出跟蹤,，1O為CNVSTR上升沿跟蹤（外部信號(hào)），11為定時(shí)器2溢出跟蹤,。
 
5 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
 
鍵盤部分采用6×6矩陣鍵盤,，P7.O～P7.5為行線，P3.0～P3.5為列線,。P3.0與P7.O交叉處為一鍵,，P7口接10 kΩ的上拉電阻至3.3 V。3個(gè)編碼開(kāi)關(guān)的1,、2腳直接與單片機(jī)的I／0引腳相連,，這里選擇P4.O～P4.5，3腳接地,，4,、5腳用作按鍵使用,。僅以接P4.O和P4.1引腳的編碼開(kāi)關(guān)為例，電路圖如圖2所示,。模數(shù)轉(zhuǎn)換部分使用內(nèi)部電壓基準(zhǔn),，故將VREF引腳與VREF0引腳相連即可。采用電位器調(diào)節(jié)模擬量的輸入,，單端輸入,，電位器阻值為10 kΩ，基準(zhǔn)電壓典型值為2.43 V,，電源電壓采用3.3 V供電,。為使基準(zhǔn)電壓達(dá)到最大，需要一個(gè)阻值約為3.58 kΩ的電阻與電位器串聯(lián)接到模擬端口,，硬件電路如圖3所示,，電位器的4、5腳也用作按鍵使用,。

　6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
 
6.1 一鍵多義鍵盤程序設(shè)計(jì)
 
在鍵盤分析中,，運(yùn)用一個(gè)工作狀態(tài)寄存器保存鍵盤的現(xiàn)狀態(tài)，當(dāng)鍵盤掃描到一個(gè)按鍵時(shí),，根據(jù)現(xiàn)狀態(tài)的值從分析程序入口表中找到分析程序狀態(tài)表地址,，從該地址處進(jìn)入分析程序狀態(tài)表，找到相匹配的值,，把下一狀態(tài)送到現(xiàn)狀態(tài)單元里,，取出動(dòng)作號(hào)，根據(jù)動(dòng)作號(hào)計(jì)算出動(dòng)作子程序入口地址,，再執(zhí)行相應(yīng)子程序,。圖4為鍵碼匹配子程序的流程圖。
 
6. 2 編碼開(kāi)關(guān)程序設(shè)計(jì)
 
由圖1可以看出,，引腳1和引腳2有同時(shí)為高電平的情況,，之后如果引腳2比引腳1先到達(dá)高電平則表示左旋，如果引腳1比引腳2先到達(dá)高電平則表示右旋,。編程的時(shí)候依據(jù)這個(gè)特點(diǎn)來(lái)判斷引腳1,、引腳2的狀態(tài)即可。以1引腳接P4.0,，2引腳接P4.1為例：
 

 
 
6.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)
 
通過(guò)設(shè)置ADCO控制寄存器ADCOCN位3～2（ADOCM1～O）A／D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式選擇位,，來(lái)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換：位3～2為00時(shí)，向ADOBUSY（ADCOCN位4）寫(xiě)1啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換,；位3～2為01時(shí),，定時(shí)器3溢出啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換；位3～2為10時(shí),，CNVSTR上升沿啟動(dòng) A／D轉(zhuǎn)換,；位3～2為11時(shí),，定時(shí)器2溢出啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)采用第一種啟動(dòng)方式,。
 
由于單片機(jī)的工作量并不大,，所以軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用查詢的方式。單片機(jī)不斷地查詢鍵盤,、編碼開(kāi)關(guān)以及電位器的狀態(tài),，如果有變化時(shí)，單片機(jī)將動(dòng)作信息傳遞給 ARM主MCU,，等待主MCU的處理,。由于單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度非常快,，因此在程序中加延時(shí),，以便觀察到模數(shù)轉(zhuǎn)換的變化量。另外,，硬件設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮濾波,，故用軟件實(shí)現(xiàn)濾波。一般的濾波的方法有限幅濾波法,、中位置濾波法,、算術(shù)平均濾波法等，現(xiàn)在提出一種新的濾波方法,。由于使用12位A／D,，但只要8位就可以達(dá)到所要的精度,，所以可以采用去掉低4位的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波的目的,。由于篇幅有限，下面只給出程序的一部分,，以AIN0為例：
 

結(jié)語(yǔ)
 
本文介紹的一鍵多義的按鍵管理程序,，對(duì)多按鍵的智能儀表可以通用。編碼開(kāi)關(guān)的編程方法簡(jiǎn)單易懂,。在A／D轉(zhuǎn)換部分,，提出的去掉低4位的軟件濾波方法可靠可行，對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合非常適用,。這3部分構(gòu)成了一個(gè)完整的監(jiān)控程序,，當(dāng)單片機(jī)監(jiān)控到某一部分有變化時(shí)，就將其動(dòng)作信息傳遞給ARM主CPU,，主CPU 進(jìn)行相應(yīng)的處理,。