引言：

　　許多儀器的前面板通常是由諸多的旋鈕、按鍵組成的混合界面。傳統(tǒng)的儀器前面板上通常有兩種旋鈕，一種是電位器，用于調(diào)節(jié)連續(xù)變化的量；另一種是檔位開關(guān)，用于調(diào)節(jié)間隔變化的量。它們嵌入在測(cè)量電路中，可以直接改變儀器的參數(shù)和設(shè)置。而在現(xiàn)代智能儀器[1]中，這兩類調(diào)節(jié)均可以通過(guò)數(shù)字旋鈕由微控制器將用戶操作的變化量反饋給儀器的主處理器，再由主處理器改變儀器的參數(shù)和設(shè)置。所以，智能儀器上的數(shù)字旋鈕和傳統(tǒng)儀器上的旋鈕在原理和處理方法上有很大不同。為了節(jié)省成本，面板處理往往采用體積小、性價(jià)比高的單片機(jī)（MCU）。運(yùn)用單片機(jī)不但經(jīng)濟(jì)靈活，并可充分利用MCU邏輯處理的優(yōu)勢(shì)，大大簡(jiǎn)化外圍連線，對(duì)旋鈕按鍵混合控制系統(tǒng)[2]的處理尤為突出。

　　設(shè)計(jì)采用LPC900系列的P89LPC922FLASH單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件處理。P89LPC922采用高性能的處理器結(jié)構(gòu)，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的速率，并自帶波特率發(fā)生器。充分考慮單片機(jī)的資源和處理速度，分模塊設(shè)計(jì)——按鈕電路，旋鈕電路，串口電路，掃描電路。用protel完成電路原理圖，制作電路板，在KeilC環(huán)境下編寫軟件。軟件和硬件相結(jié)合，協(xié)同實(shí)現(xiàn)整個(gè)面板。

　　1 硬件設(shè)計(jì)及原理

　　1．1 旋鈕電路設(shè)計(jì)

　　1．1．1 數(shù)字旋鈕的工作原理

　　本設(shè)計(jì)選用常見的編碼器EC16系列作為數(shù)字旋鈕，如圖1。4、5腳供固定之用，3腳接VCC（+5V），1、2腳在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出連續(xù)脈沖。這種旋鈕只有兩種操作，即正旋和反旋。通過(guò)示波器可以觀察到如圖所示的旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)1、2腳的波形。

　　每次轉(zhuǎn)動(dòng)1、2腳都會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，正旋時(shí)1腳先變高，反旋時(shí)2腳先變高。也就是說(shuō)，正旋和反旋輸出信號(hào)的相位不同，只要檢測(cè)出相位，就可以識(shí)別正旋和反旋。

　　1．1．2鑒相電路設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的鑒相電路見圖2，附箭頭所指數(shù)字標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的波形（以正旋為例）。旋鈕的1、2腳分別與D觸發(fā)器的D端和CLK端連接，根據(jù)上面所述旋鈕的工作原理，正旋時(shí)1腳（D）先變高，2腳（CLK）上升沿時(shí)Q端輸出1，反旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出0， 端則相反。因此根據(jù)Q、 輸出為10還是01就可以判斷出轉(zhuǎn)動(dòng)方向。但是，如果繼續(xù)正旋，Q、 將維持現(xiàn)狀（圖2中的④③），因此還必須檢測(cè)脈沖個(gè)數(shù)來(lái)反映轉(zhuǎn)動(dòng)量。這時(shí)不用考慮1、2腳的相位，可將2個(gè)信號(hào)相與產(chǎn)生新的信號(hào)（圖2中的⑤），可利用該信號(hào)分別和Q、 相與即可分辨出每次旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　最后的輸出為⑥和⑦，正旋時(shí)⑦線有脈沖，⑥線一直為低，反旋則兩根線相反。至此完成了鑒相，下面要解決如何與單片機(jī)接口的問(wèn)題。

　　1．2 掃描電路設(shè)計(jì)

　　用戶操作面板時(shí)，為了能及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別哪個(gè)按鈕和哪個(gè)旋鈕動(dòng)作，將按鈕和旋鈕統(tǒng)一掃描和編碼，發(fā)送給主機(jī)。綜合按鈕和旋鈕特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需要采用了8×8的矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)[3]，前4行為按鈕，后4行為旋鈕。以列信號(hào)為掃描輸出信號(hào)，行信號(hào)為檢測(cè)輸入信號(hào)。

　　掃描電路的核心是單片機(jī)。一般掃描電路用一個(gè)I/O口輸出掃描信號(hào)，另一個(gè)I/O口讀入檢測(cè)信號(hào)。P89LPC922只有兩組I/O雙向口：P0口和P1口。P1口需要定義一些讀寫控制信號(hào)，所以只用一個(gè)P0口輸出掃描信號(hào)及輸入檢測(cè)信號(hào)，這樣P0口就存在讀寫控制和時(shí)序問(wèn)題。既要輸出列值又要讀入行值，必須要有數(shù)據(jù)鎖存器和緩沖器之類的芯片配合完成。設(shè)計(jì)時(shí)采用了數(shù)據(jù)鎖存器74ALS373和總線接收/發(fā)送器74ALS245。單片機(jī)的引腳P1.4控制74ALS245的輸出使能端，如圖3中的②；P1.7控制74ALS373的數(shù)據(jù)鎖存端，如圖3中的①；P1.3控制74ALS245的數(shù)據(jù)傳送方向，如圖3中的③（這里為恒為低，從245到單片機(jī)的P0口）。

　　掃描電路的工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)先讓②為高，使74ALS245輸出為高阻態(tài)，然后從P0口輸出列掃描數(shù)據(jù)，再給①高電平，延時(shí)后將①變低，使74ALS373鎖存列掃描信號(hào)，將②變低使74ALS245輸出有效，由于數(shù)據(jù)方向恒定，這樣行值數(shù)據(jù)就從245輸入到單片機(jī)的P0口。

　　為了將按鈕和旋鈕的掃描統(tǒng)一起來(lái)，我們把正旋和反旋當(dāng)做不同的兩個(gè)按鈕按下，旋鈕的正旋或反旋也對(duì)應(yīng)唯一的行值和列值。這里的巧妙之處就是采用了三態(tài)緩沖器74LS240，每個(gè)旋鈕電路的輸出信號(hào)⑥和⑦（即前面圖2鑒相電路輸出）分別接到74LS240的兩組輸入端，兩組數(shù)據(jù)的輸出都接到4根行線，由列掃描線控制輸出哪一組數(shù)據(jù)。比如：掃描第二列，⑦對(duì)應(yīng)那組輸出到4根行線供單片機(jī)讀入，此時(shí)⑥對(duì)應(yīng)那組的輸出被禁止。若第二列有旋鈕正旋，則其對(duì)應(yīng)的⑦上有脈沖，經(jīng)240反相后，單片機(jī)檢測(cè)到低電平數(shù)據(jù)，與按鈕按下的情況一致。圖3中只用了一片74LS240，可以接4個(gè)旋鈕，這個(gè)電路可以擴(kuò)充到四片74LS240接16個(gè)旋鈕。

　　1．3 與主機(jī)通信電路設(shè)計(jì)

　　用串口與PC機(jī)通信要用串口連線，我們將其3、5腳引出，通過(guò)一片MAX232，即可與單片機(jī)的串口連接，其電路相對(duì)簡(jiǎn)單，這里不多做敘述了。外部晶振頻率選用高頻晶振12MHZ，用922自帶的波特率發(fā)生器，設(shè)置波特率為9600，每個(gè)字節(jié)發(fā)送時(shí)間約1ms，可以滿足高速率和準(zhǔn)確性的要求。波特率太低影響速度，太高影響串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

　　2 軟件實(shí)現(xiàn)

　　2．1 按鍵的抗干擾處理

　　通常當(dāng)按鍵按下以后（不考慮人的操作因素），會(huì)有一個(gè)5-10ms的抖動(dòng)期，用軟件延時(shí)來(lái)進(jìn)行去抖處理。當(dāng)按鍵釋放后才向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，具體方法是用狀態(tài)機(jī)，將按鍵過(guò)程分成以下幾個(gè)狀態(tài)S0—S4，如圖4所示：

　　沒(méi)有按鈕動(dòng)作時(shí)，檢測(cè)線都為高電平，保持在S0狀態(tài)；掃描面板，當(dāng)某個(gè)按鈕按下（相應(yīng)檢測(cè)線為低電平）進(jìn)入S1狀態(tài)；完成去抖延時(shí)（T0中斷20次）后進(jìn)入S2狀態(tài)，再次掃描面板，檢測(cè)到低電平且為同一個(gè)按鈕（行、列線相同）進(jìn)入S3狀態(tài)，沒(méi)有檢測(cè)到低電平或者不為同一個(gè)按鈕則再次進(jìn)入S0狀態(tài)；按鈕釋放后進(jìn)入S4狀態(tài)，給主機(jī)發(fā)送按鈕編號(hào)，發(fā)送完成進(jìn)入S0狀態(tài)。

　　2．2 旋鈕的抗干擾處理

　　與檔位開關(guān)一樣，旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)一周會(huì)有若干停頓點(diǎn)。停頓點(diǎn)較少的旋鈕[2][4]在停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)1、2腳總會(huì)處于一個(gè)穩(wěn)定的低電平。而停頓點(diǎn)較多的旋鈕在停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)則電平狀態(tài)不定，1、2腳有可能處于高電平也可能處于低電平（如圖1），所以不可用與之類似的任何檢測(cè)電平狀態(tài)的方法來(lái)判斷旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　用示波器分析波形后得知，不管1、2腳最終狀態(tài)如何，只要轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕就會(huì)有電平變化，從高到低，或從低到高，所以選用動(dòng)態(tài)的邊沿掃描。除了在剛上電的時(shí)候需要掃描獲得每個(gè)旋鈕的初始狀態(tài)，每過(guò)一段時(shí)間都要定時(shí)掃描旋鈕狀態(tài)，一旦有電平變化（上升沿/下降沿），就認(rèn)為是一次有效的轉(zhuǎn)動(dòng)。定時(shí)的時(shí)間確定為1ms[5]，因?yàn)榧词购芸燹D(zhuǎn)動(dòng)旋鈕的情況下，每次脈沖高電平寬度一般都有十幾到幾十毫秒。在設(shè)計(jì)時(shí)可用1個(gè)字的位向量pre_knob和cur_knob分別保存最近的兩次掃描結(jié)果，每位對(duì)應(yīng)一個(gè)旋鈕。低電平時(shí)相應(yīng)位置1，高電平置0，用下降沿判斷（即10時(shí)）認(rèn)為對(duì)應(yīng)位的旋鈕有轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　2．3 旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)量的計(jì)算

　　旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)量的計(jì)算方法也是本文討論的一個(gè)重點(diǎn)。旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，可以轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)停頓點(diǎn)就發(fā)一次，但會(huì)增加通信量和主機(jī)的處理負(fù)擔(dān)，而且單片機(jī)的任務(wù)非常單一，即檢測(cè)前面板的動(dòng)作，資源利用也不多，因此可以用單片機(jī)計(jì)算出旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)量后一起發(fā)送給主機(jī)。

　　方法是：給每個(gè)旋鈕配置1個(gè)字節(jié)的發(fā)送緩沖保存轉(zhuǎn)動(dòng)量。每當(dāng)旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)停頓點(diǎn)，單片機(jī)就檢測(cè)發(fā)送緩沖是否為空，不為空則將緩沖中的轉(zhuǎn)動(dòng)量加1，若為空則發(fā)送旋鈕編號(hào)給主機(jī)，等待主機(jī)響應(yīng)，此時(shí)旋鈕繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)量不斷增加，主機(jī)響應(yīng)后再將發(fā)送緩沖里的轉(zhuǎn)動(dòng)量發(fā)送給主機(jī)，發(fā)送完成后清空緩沖。

　　3 結(jié)論

　　完成硬件和軟件設(shè)計(jì)之后，仿真調(diào)試，燒錄單片機(jī)，將電路板與PC機(jī)連接，操作電路板上的按鈕和旋鈕，結(jié)果表明按鈕和旋鈕識(shí)別及時(shí)準(zhǔn)確，完全符合實(shí)時(shí)操作的要求。并已應(yīng)用于課題組的數(shù)字存儲(chǔ)大功率半導(dǎo)體管特性曲線圖示儀中。

　　本文采用的面板設(shè)計(jì)具有成本低、周期短、可擴(kuò)展、設(shè)計(jì)靈活、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要增加功能按鍵，而不需要重做軟件設(shè)計(jì)?？梢詾橄嚓P(guān)領(lǐng)域研究人員提供一種可供參考的面板設(shè)計(jì)方法。