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，用于調節(jié)連續(xù)變化的量；另一種是檔位開關，用于調節(jié)間隔變化的量。它們嵌入在測量電路中，可以直接改變儀器的參數(shù)和設置。而在現(xiàn)代智能儀器[1]中，這兩類調節(jié)均可以通過數(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、性價比高的單片機（MCU）。運用單片機不但經(jīng)濟靈活，并可充分利用MCU邏輯處理的優(yōu)勢，大大簡化外圍連線，對旋鈕按鍵混合控制系統(tǒng)[2]的處理尤為突出。

　　設計采用LPC900系列的P89LPC922FLASH單片機來實現(xiàn)軟件處理。P89LPC922采用高性能的處理器結構，6倍于標準80C51器件的速率，并自帶波特率發(fā)生器。充分考慮單片機的資源和處理速度，分模塊設計——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。軟件和硬件相結合，協(xié)同實現(xiàn)整個面板。

　　1 硬件設計及原理

　　1．1 旋鈕電路設計

　　1．1．1 數(shù)字旋鈕的工作原理

　　本設計選用常見的編碼器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腳在轉動時輸出連續(xù)脈沖。這種旋鈕只有兩種操作，即正旋和反旋。通過示波器可以觀察到如圖所示的旋鈕轉動時1、2腳的波形。

　　每次轉動1、2腳都會產(chǎn)生脈沖信號，正旋時1腳先變高，反旋時2腳先變高。也就是說，正旋和反旋輸出信號的相位不同，只要檢測出相位，就可以識別正旋和反旋。

　　1．1．2鑒相電路設計

　　本文設計的鑒相電路見圖2，附箭頭所指數(shù)字標號對應的波形（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1腳（D）先變高，2腳（CLK）上升沿時Q端輸出1，反旋轉時輸出0， 端則相反。因此根據(jù)Q、 輸出為10還是01就可以判斷出轉動方向。但是，如果繼續(xù)正旋，Q、 將維持現(xiàn)狀（圖2中的④③），因此還必須檢測脈沖個數(shù)來反映轉動量。這時不用考慮1、2腳的相位，可將2個信號相與產(chǎn)生新的信號（圖2中的⑤），可利用該信號分別和Q、 相與即可分辨出每次旋鈕的轉動。

　　最后的輸出為⑥和⑦，正旋時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接口的問題。

　　1．2 掃描電路設計

　　用戶操作面板時，為了能及時準確地識別哪個按鈕和哪個旋鈕動作，將按鈕和旋鈕統(tǒng)一掃描和編碼，發(fā)送給主機。綜合按鈕和旋鈕特點，根據(jù)實際需要采用了8×8的矩陣式鍵盤結構[3]，前4行為按鈕，后4行為旋鈕。以列信號為掃描輸出信號，行信號為檢測輸入信號。

　　掃描電路的核心是單片機。一般掃描電路用一個I/O口輸出掃描信號，另一個I/O口讀入檢測信號。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，所以只用一個P0口輸出掃描信號及輸入檢測信號，這樣P0口就存在讀寫控制和時序問題。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。設計時采用了數(shù)據(jù)鎖存器74ALS373和總線接收/發(fā)送器74ALS245。單片機的引腳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到單片機的P0口）。

　　掃描電路的工作原理是：單片機先讓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，延時后將①變低，使74ALS373鎖存列掃描信號，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輸入到單片機的P0口。

　　為了將按鈕和旋鈕的掃描統(tǒng)一起來，我們把正旋和反旋當做不同的兩個按鈕按下，旋鈕的正旋或反旋也對應唯一的行值和列值。這里的巧妙之處就是采用了三態(tài)緩沖器74LS240，每個旋鈕電路的輸出信號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對應那組輸出到4根行線供單片機讀入，此時⑥對應那組的輸出被禁止。若第二列有旋鈕正旋，則其對應的⑦上有脈沖，經(jīng)240反相后，單片機檢測到低電平數(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個旋鈕，這個電路可以擴充到四片74LS240接16個旋鈕。

　　1．3 與主機通信電路設計

　　用串口與PC機通信要用串口連線，我們將其3、5腳引出，通過一片MAX232，即可與單片機的串口連接，其電路相對簡單，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，設置波特率為9600，每個字節(jié)發(fā)送時間約1ms，可以滿足高速率和準確性的要求。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 軟件實現(xiàn)

　　2．1 按鍵的抗干擾處理

　　通常當按鍵按下以后（不考慮人的操作因素），會有一個5-10ms的抖動期，用軟件延時來進行去抖處理。當按鍵釋放后才向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，具體方法是用狀態(tài)機，將按鍵過程分成以下幾個狀態(tài)S0—S4，如圖4所示：

　　沒有按鈕動作時，檢測線都為高電平，保持在S0狀態(tài)；掃描面板，當某個按鈕按下（相應檢測線為低電平）進入S1狀態(tài)；完成去抖延時（T0中斷20次）后進入S2狀態(tài)，再次掃描面板，檢測到低電平且為同一個按鈕（行、列線相同）進入S3狀態(tài)，沒有檢測到低電平或者不為同一個按鈕則再次進入S0狀態(tài)；按鈕釋放后進入S4狀態(tài)，給主機發(fā)送按鈕編號，發(fā)送完成進入S0狀態(tài)。

　　2．2 旋鈕的抗干擾處理

　　與檔位開關一樣，旋鈕轉動一周會有若干停頓點。停頓點較少的旋鈕[2][4]在停止轉動時1、2腳總會處于一個穩(wěn)定的低電平。而停頓點較多的旋鈕在停止轉動時則電平狀態(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電平狀態(tài)的方法來判斷旋鈕的轉動。

　　用示波器分析波形后得知，不管1、2腳最終狀態(tài)如何，只要轉動旋鈕就會有電平變化，從高到低，或從低到高，所以選用動態(tài)的邊沿掃描。除了在剛上電的時候需要掃描獲得每個旋鈕的初始狀態(tài)，每過一段時間都要定時掃描旋鈕狀態(tài)，一旦有電平變化（上升沿/下降沿），就認為是一次有效的轉動。定時的時間確定為1ms[5]，因為即使很快轉動旋鈕的情況下，每次脈沖高電平寬度一般都有十幾到幾十毫秒。在設計時可用1個字的位向量pre_knob和cur_knob分別保存最近的兩次掃描結果，每位對應一個旋鈕。低電平時相應位置1，高電平置0，用下降沿判斷（即10時）認為對應位的旋鈕有轉動。

　　2．3 旋鈕轉動量的計算

　　旋鈕轉動量的計算方法也是本文討論的一個重點。旋鈕轉動的時候，可以轉動一個停頓點就發(fā)一次，但會增加通信量和主機的處理負擔，而且單片機的任務非常單一，即檢測前面板的動作，資源利用也不多，因此可以用單片機計算出旋鈕轉動量后一起發(fā)送給主機。

　　方法是：給每個旋鈕配置1個字節(jié)的發(fā)送緩沖保存轉動量。每當旋鈕轉動一個停頓點，單片機就檢測發(fā)送緩沖是否為空，不為空則將緩沖中的轉動量加1，若為空則發(fā)送旋鈕編號給主機，等待主機響應，此時旋鈕繼續(xù)轉動，轉動量不斷增加，主機響應后再將發(fā)送緩沖里的轉動量發(fā)送給主機，發(fā)送完成后清空緩沖。

　　3 結論

　　完成硬件和軟件設計之后，仿真調試，燒錄單片機，將電路板與PC機連接，操作電路板上的按鈕和旋鈕，結果表明按鈕和旋鈕識別及時準確，完全符合實時操作的要求。并已應用于課題組的數(shù)字存儲大功率半導體管特性曲線圖示儀中。

　　本文采用的面板設計具有成本低、周期短、可擴展、設計靈活、安全可靠等優(yōu)點?？梢愿鶕?jù)實際需要增加功能按鍵，而不需要重做軟件設計?？梢詾橄嚓P領域研究人員提供一種可供參考的面板設計方法。