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智能仪器设计基础

智能仪器设计基础. 地球物理与信息技术学院. 第三章 智能仪器的硬件设计. 一、键盘接口技术 二、显示器接口技术 三、 8279 可编程键盘 / 显示器芯片接口技术 四、 LCD 液晶数码显示接口技术 五、打印输出接口技术 六、模拟信号放大电路 七、 DAC 和 ADC 接口 八、数据采集. 键盘接口技术. 1. 键盘的分类与消抖. 键盘的种类：键盘上闭合键的识别是由专用 硬件实现的，称为 编码键盘 ，靠软件实现的称为 非编码键盘 。 键盘的接口必须解决下列的一些问题： （ 1 ）决定是否有键按下；

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智能仪器设计基础

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  1. 智能仪器设计基础 地球物理与信息技术学院

  2. 第三章 智能仪器的硬件设计 一、键盘接口技术 二、显示器接口技术 三、 8279可编程键盘/显示器芯片接口技术 四、LCD液晶数码显示接口技术 五、打印输出接口技术 六、模拟信号放大电路 七、DAC和ADC接口 八、数据采集

  3. 键盘接口技术 1. 键盘的分类与消抖 • 键盘的种类：键盘上闭合键的识别是由专用 硬件实现的，称为编码键盘，靠软件实现的称为非编码键盘。 • 键盘的接口必须解决下列的一些问题： • （1）决定是否有键按下； • （2）如有键按下，决定是哪一个键被按下； • （3）确定被按键的读数； （4）反弹跳—按键抖动的消除； （5）处理同时按键既同时有一个以上的按键。

  4. 键盘接口技术 消除键抖动 1、硬件电路消除法（键数较少时） 2、软件延时法（键数较多时）：当判定按键按下时用软件延时10～20ms，等待键稳定后再判一次，以躲过触点抖动期 串键保护 两个键同时按下：当只有1个键按下时才读键盘输出，最后仍被按下的键是有效的正确按键。 n键同时按下：等到只有一个键按下去再处理；第一个被按下或最后一个松开的键产生码。 n键锁定：只处理一个键，任何其他按下又松开的键不产生任何码。

  5. “ 1 ” “ 0 ” 后沿抖动时间＜10ms 前沿抖动时间 ＜10ms +5v 开关动作时间 ＞100ms I/O 接 口 单片机 ＆ +5v 开关 消除抖动电路 ＆ 键盘接口技术 消除抖动电路

  6. 键连击的处理 读 键 读 键 延时去抖 延时去抖 执 行 执 行 等键释放 延 时 键盘接口技术 当按下某键时，对应的功能便会通过键盘分析程序得以执行。如果在操作者释放键之前，对应的功能得以多次执行，如同操作者在连续不断操作该键一样，这种现象就称为连击。 消除键连击 利用键连击

  7. 键盘接口技术 2. 非编码键盘 读取键盘信息： ORL P1,#0FH ；初始化键盘端口信息 MOV A,P1；读取端口信息 ANL A,#0FH ；屏蔽无关信息，保留键盘信息 +V 1. 独立连接式非编码键盘 10kΩ*4 µP 接 口 每个按键单独占有一根I/O接口引线。 输入每根I/O接口引线的信号对应某个数据。

  8. N 有按键信号？ Y 延时等待10ms N 仍有按键信号？ Y 键盘处理 N 按键释放？ Y 键盘接口技术 独立式按键接口程序设计 键盘处理程序任务 1)键输入 检查键盘是否有键被按下，消除按 键抖动。确定被按键的键号，获取键号。 硬件电路消除抖动或软件消除抖动。 2)键译码 键号为键盘位置码，根据键号查表 得出被按键的键值。键值：数字键0～9、 字符键0AH～0FH、功能键10H～ 。 3)键处理 根据键值转移到不同程序段。若键 值属于数字、字符键，则调用显示数字 和字符的子程序。若键值属于功能键， 则进行多分支转移，执行各个功能程序 段。

  9. 键盘接口技术 独立式按键电路

  10. 键盘接口技术 使用8255扩展I/O的独立式键盘

  11. 键盘接口技术 矩阵式非编码键盘 当采用矩阵式键盘时，为了编程方便，应将矩阵键盘中的每一个键按一定的顺序编号，这种按顺序排列的编号叫顺序码，也称键值。 行扫描法 线反转法 求解键值的方法

  12. +5V 10KΩ*3 行 码 列 码 8 9 A B 0键：1 1 0 1 1 1 0 x2 行 线 1键：1 1 0 1 1 0 1 4 5 6 7 x1 2键：1 1 0 1 0 1 1 0 1 2 3 x0 3键：1 1 0 0 1 1 1 4键：1 0 1 1 1 1 0 y0 y1 y2 y3 5键：1 0 1 1 1 0 1 列线 A键：0 1 1 1 0 1 1 键盘接口技术 行扫描法

  13. 键盘接口技术 行扫描法步骤 1）判是否有键按下。其实现方法是使X2，X1和X0均为0，然后读取列值Y 3、Y2、 Y1和 Y0。如果没有键按下，读入值为FH，如果有键按下，则不为FH。 2）若有键按下，则延时10ms，再判断是否确实有键按下。 3）若确实有键按下，则求出按下键的键值。其实现方法是对键盘逐行扫描。即先令X2为0，然后读入列值，若列值等于FH，说明该行无键按下，再令X2为0，以此类推。求键值时要设置行寄存器和列寄存器。

  14. MOV A,R4 ADD A,#4 MOV R4,A MOV A,R2 DJNZ R7,KS1 SJMP KEND KS2: JB ACC.3 ,KS3 RL A INC R4 SJMP KS2 KS3: MOV A,R4 RET KEND: MOV A,#0FFH RET 行扫描法程序 KEYINS: MOV P1,#0FH MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL A JZ KEND MOV R4,#0 MOV R2,#0EFH MOV R7,#4 KS1: MOV P1,R2 MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL A JNZ KS2 MOV A,R4

  15. 键盘接口技术 线路反转法原理图 PA0 P2.7 CE PA1 P2.0 IO/M PA2 WR WR PA3 0 1 2 3 RD RD PA4 ALE ALE 4 5 6 7 PA5 P0 D0~D7 8 9 A B PA6 C D E F PA7 8031 8155 20µF RESET +5V 1K

  16. +5V +5V 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 并 行 接 口 并 行 接 口 +5V +5V 键盘接口技术 线路反转法

  17. 键盘接口技术 线路反转法步骤 1）先从PA的高四位输出‘0’电平，从PA的低四位读取键盘的状态，若图中某键（E键）被按下，此时从PA的低四位输入的代码为1101，显然其中的‘0’对应着被按键所代表的列。 2）进行线路反转，即从PA的低四位输出‘0’电平，从PA高四位读取键盘的状态，此时从PA高四位输入的结果应为0111，显然，其中‘0’对应着被按键的行位置。再将两次读入的数据合成一个代码01111101，此代码完全确定被按键的位置。通常把这种代码称为特征码。

  18. 键盘接口技术 键值分析 单片机从键盘接口获得键值后究竟执行什么操作，完全取决于键盘解释程序。 进行键值分析常用的方法 1）查表法：根据得到的键值代码，到固化在ROM里的表格中查找对应该代码的动作例行程序首地址。这种方法适用于一个键就产生一个动作的单个命令键。 2）状态分析法:根据键码和当前所处的状态找出下一个应进入的状态及动作例行程序。这种方法适用于多个键互相配合产生一个动作的多义键。

  19. 键盘接口技术 2. 编码键盘 编码键盘的基本任务是识别按键，提供按键读数，一个高质量的编码键盘还应具有反弹跳、处理同时按键等功能。 1.静态编码器—普通编码器如74148（8-3编码器） 缺点：一个按键需要一条引线，当按键增多时，引线将非常复杂。 2.可编程键盘/显示接口 如8279 扫描式编码键盘，按键排成矩阵形式，减少了按键连线。

  20. A0’ A1’ A2’ 键 1 1 1 0 0 110 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 00 0 11 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 键盘接口技术 0 A2 10 A2’ 6 1 11 A1 A1’ • 静态式编码器接口 2 7 12 3 A0 13 A0’ 9 4 1 74148 5 EI 2 8 6 3 7 4 a）接口电路 b）真值表

  21. 键盘接口技术 7 6 5 4 3 2 1 0 15 14 13 12 11 10 9 8 CLK RL7 RL6 RL5 RL4 RL3 RL2 RL1 RL0 A0 ALE 74LS373 8051 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 SL0 SL1 SL2 74LS138 Y0~Y7 BIC 8708 8279 VCC P2.7 CS +5V dp g e a c d WR b f WR B0 B1 B2 B3 A0 A1 A2 A3 RD RD BIC 8708 INT1 IRQ 20µF RESET +5V CNTL 2K SHIFT +5V

  22. 2 . 数码显示技术 在单片机系统中，常用的显示器有： 发光二极管显示器，简称LED(Light Emitting diode)； 液晶显示器，简称LCD(Liquid crystal Display); 荧光管显示器、CRT，显示一些汉字及图形。 前三种显示器都有两种显示结构： 段显示(7段，“米”字型等) 点阵显示(5×7，5×8，8×8点阵等)。 而发光二极管显示分为：固定段显示 可以拼装的大型字段显示 此外还有共阳极和共阴极之分等。 三种显示器中，以荧光管显示器亮度最高，发光二极管次之．而液晶显示器最弱，为被动显示器，必须有外光源。

  23. 显示接口技术 LED显示及接口 1 LED显示原理 LED----发光二极管. LED的正向压降:1.2V ~ 2.6V。 工作电流:5mA ~ 20mA。 适合于脉冲工作状态, 电路须串联适当的限流电阻. LED显示器的类型:单个、七段和点阵式。 一.单个LED显示器 常用于仪器的状态 显示之用.

  24. LED显示及接口 • LED程序比较简单，通常直接用状态标志来控制对应LED的亮/灭。例如某状态标志RUN为电机运行标志，RUN=1表示电机启动；RUN=0表示电机停止。在单片机的P1.7端口接LED，用来指示电机的运行状态。 • LED BIT P1.7 • RUN BIT 20H.0 • 则LED的驱动指令如下： • MOV C,RUN • CPL C • MOV LED,C

  25. 显示接口技术 将数个LED组成一个阵列,并封装于一个标准的外壳中。 七段LED显示器有共阳极和共阴极两种结构。可用于显示0~9数字和多种字母。 （a）共阴极 （b）共阳极 （c）管脚配置 七段LED显示块

  26. LED显示方式 由N片LED数码管可拼接成N位LED显示器。下图是4位LED显示器的结构原理图。 N位LED显示器有N根位选线和8×N根段选线。根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不相同。 段选线控制显示字符的字型， 而位选线则控制显示位的亮、暗。 LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式，

  27. ①LED静态显示方式 LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极(或共阳极)连接在一起并接地(或十5V)；每位的段选线(a—dp)分别与一8位的锁存输出相连。 之所以称为静态显示，是由于显示器中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正因为如此，静态显示器的亮度都较高。

  28. ②LED动态显示方式 在多位LED显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段选线相应地并联在一起，由一个8位I／O口控制，形成段选线的多路复用。 而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I／O口线控制，实现各位的分时选通。

  29. 其中段选线占用一个8位I／O口，而位选线占用一个4位I／O口。其中段选线占用一个8位I／O口，而位选线占用一个4位I／O口。 由于各位的段选线并联，段选码的输出对各位来说都是相同的。因此，同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，4位LED将显示相同的字符。 若要各位LED能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在同一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其它各位的位选线处于关闭状态， 同时，段选线上输出相应位要显示字符的字型码，这样同一时刻，4位LED中只有选通的那一位显示出字符，而其它三位则是熄灭的。

  30. 同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其它各位的位选线处于关闭状态时，在段选线上输出相应位将要显示字符的字型码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其它各位则是熄灭的。如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符，同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其它各位的位选线处于关闭状态时，在段选线上输出相应位将要显示字符的字型码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其它各位则是熄灭的。如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符， 虽然这些字符是在不同时刻出现的，而且同一时刻，只有一位显示，其它各位熄灭，但由于人眼有视觉暂留现象， 只要每位显示间隔足够短便可造成多位同时亮的假象，达到显示的目的。

  31. LED不同位显示的时间间隔可以通过定时中断完成。如对8位LED显示器，扫描显示频率为50Hz， 假若显示一位保持1ms时间．则显示完所有8位之后，只需8ms，于是另外12msCPU完全可以处理其它工作。上述保持1ms的时间应根据实际情况而定。不能太小，因为发光二极管从导通到发光有一定的延时，导通时间太小，发光太弱人眼无法看清。但也不能大大，因为毕竞要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用CPU时间也越多。 另外，显示位增多，也将占用大量的CPU时间，因此动态显示实质是以牺牲CPU时间换取元件和能耗的减少。

  32. 显示接口技术 为了显示某个数或字母,须点亮对应的段,则需要译码. 1. 硬件译码( 由七段译码/驱动器完成) 计算机时间的开销较小,但硬件开支大。

  33. 显示接口技术 2. 软件译码 省略了硬件,其BCD码转换为对应的段码由软件来完成。

  34. 显示接口技术 三. 点阵式LED显示器 以点阵格式进行显示,显示的字符较逼真,但接口电路和控制 程序较复杂。常用57点阵。

  35. 显示接口技术 LCD（液晶显示器）接口 1.LCD结构与原理 • LCD是一种功耗极低的被动式显示器件。 LCD本身不发光只是调节光的亮度。目前常用的LCD显示器都是利用液晶的扭曲而制成。其优点为：工作电流比LED小几个数量级，尺寸小，厚度约为LED的1/3等。

  36. 显示接口技术 LCD（液晶显示器）接口 LCD是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗而将影像显示出来，若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90度，所以液晶分子成为扭转型，当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90度扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色（如下图左）；当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色（如下图右）。液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。

  37. 显示接口技术 液晶显示器（LCD）接口 2. LCD的主要参数有： 响应时间（ms级）是指液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，此值当然是越小越好。如果响应时间太长了，就有可能使液晶显示器在显示动态图像时，有尾影拖曳的感觉。一般的液晶显示器的响应时间在20～30ms之间 。 阈值电压：3~20V 功耗：5mW/cm2~100mW/cm2

  38. 显示接口技术 笔划 电极 a 不显示 公共 电极 b f g c e 笔划 电极 • d COM 显示 公共 电极 LCD笔划 3.LCD显示原理 • LCD七段显示器除了a~g这七个笔画以外，还有一个公共极COM。它可用静态方式驱动，也可用动态方式驱动。 不亮 亮 一般控制方波的频率为25~100Hz。

  39. 显示接口技术 2．LCD的驱动方式 • 驱动方式由电极引线的选择确定。既LCD选定后，其驱动方式也就随之确定了。 • 静态驱动方式:将要显示的数据通过译码器译为显示码，再变为低频的交变信号，送到LCD显示器。 • 时分割驱动电压平均化：当显示字段增多时，为减少引出线和驱动回路数，需要采用时分割驱动法。时分割驱动方式通常采用电压平均化法，其占空比有1/2，1/8，1/11，1/16，1/32，1/64等，偏比有1/2，1/3，1/4，1/5，1/7，1/9等。

  40. 显示接口技术 A为显示控制信号；B为显示频率信号 c （a）驱动回路；（b）真值表；（c）驱动波形 静态驱动回路及波形

  41. 显示接口技术 COM COM COM 方波发生器 (100Hz/s) 6(Ph) gfedcba MC14543 （百） MC14543 （十） MC14543 （个） 8031 5 3 2 41 5 3 2 4 1 5 3 2 4 1(LE) P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.6 P1.5 P1.4 2.　采用硬件译码的LCD接口

  42. 显示接口技术 点阵式LCD显示 有专用指令集，受CPU控制，产生驱动LCD的时序脉冲，控制LCD工作状态，管理LCD显示存储区。原理示意图如下：

  43. 显示接口技术 LCD图文混合显示的基本原理 LCD显示模式： • 文本显示 • 图形显示 • 图文混合显示

  44. 显示接口技术 LCD图文混合显示的基本原理 1.字符显示 该LCD横向160点，纵向为128点。当显示字符时，每个字符横向宽度为8点，故横向可显示20个字符，每个字符纵向高度为8点，故纵向可显示16行字符。全屏字符总数为20x16=320个字符，每个字符占用文本显示缓冲区1字节，故文本显示缓冲区的大小为320字节。将缓冲区的320字节分成16段，每段20字节对应屏幕一行。在片外RAM中开辟一个同样大小的文本映像缓冲区，下面操作均在该映像缓冲区中完成。

  45. 显示接口技术 LCD图文混合显示的基本原理 1.字符显示 （1）清屏操作：初始化映像缓冲区。 TBUF EQU 4000H ;文本映像缓冲区首址 TXMAX EQU 20 ；横向（行）最多显示20个字符 TYMAX EQU 16 ；纵向最多显示16个字符 TCLR: MOV DPTR,#TBUF ；指向文本映像缓冲区首址 CLR A ；用0来填充缓冲区 MOV R2,#TYMAX ；共16行 TCLR1: MOV R3,#TXMAX ；每行20字节（字符） TCLR2: MOVX @DPTR,A INC DPTR DJNZ R3,TCLR2 DJNZ R2,TCLR1 RET

  46. 显示接口技术 LCD图文混合显示的基本原理 （2）显示字符串： TX DATA 30H ；横坐标存放单元 TY DATA 31H ；纵坐标存放单元 …；前续程序段 MOV TY #6 ；起始位置的行号 MOV TX,#8；起始位置的列号 LCALL SOUT ；调用输出字符串的子程序 DB “Hello!”,0 ；字符串内容（0表示字符串结束） MOV TY,#8 ；起始位置的行号 MOV TX,#8 ；起始位置的列号 LCALL SOUT DB “Goodbye!”,0 …

  47. 显示接口技术 LCD图文混合显示的基本原理 字符串输出子程序： SOUT: MOV DPTR,#TBUF ;根据坐标，计算起始地址 MOV A,TY MOV B,#TXMAX MUL AB ADD A,TX JNC SOUT1 INC DPH SOUT1: ADD A,DPL ;将计算结果存入P2+R1中 MOV R1,A MOV A,B ADDC A,DPH MOV P2,A POP DPH ；弹出字符串内容的起始地址 POP DPL

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