（机械电子工程专业论文）基于单片机的机电产品控制系统开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文着重讨论了有关单片机控制机电产品的综合应用技术以p c 键盘作为输入 设备、内置微控制密的液晶显示模块的显示器作为输出设备的单片机控制系统的设计与 实现首先介绍了当前单片机的特点和发展趋势及其在控制系统中的应用情况；接着对 几种常见的单片机与键盘接口技术进行了总结比较，对p c 键盘的工作原理进行了深入 的阐述，并在此基础上设计出了一种简单实用的单片机和p c 键盘的接口电路，同时编 写了详细的键盘初始化和按键处理程序；然后对内置t 6 9 6 3 c 微控制器的液晶显示模块 r t 2 4 0 x 6 4 作为系统的显示器件进行了介绍，在此基础上设计出液晶显示模块的硬件接 口电路，实现c p u 对液晶等器件的直接寻址液晶标牌打印机的设计从硬件设计和软 件实现两个部分分别论述了系统的设计、实现过程，并借助仿真器对硬件电路和相关软 件进行综合调试，从而完成了单片机实现键盘直接控制液晶显示的接口电路设计 此控制系统的应用场合非常广泛，在许多机电一体化控制设备中均可得到应用，所 要做的仅仅是在原有电路的基础上添加此系统就可以了，具有很强的兼容性。 关键词；单片机，p c 键盘，液晶显示模块，机电设备 山东大学硕士学位论文 j - _ - _ - _ _ - _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ j i _ _ _ _ l _ _ _ = _ | _ _ _ _ i - _ 日_ - - - - _ - - - - _ _ _ 日_ _ _ _ _ - _ d e v e l o p m e n to fm e c h a t r o n i c se q u i p m e n tc o n t r o ls y s t e m b a s e do ns i n g l e c h i p a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h es y n t h e t i ca p p l i e dt e c h n i q u eo ft h es i n g l e - c h i ，t l l ec o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d , w h i c hi n c l u d ei m p o r te q u i p m e n tp ck e y b o a r da n d e x p o r te q u i p m e n tl c dm o d u l ed i s p l a yb a s e do ni n n e rm i c r o - c o n t r o l l e r f i r s t l y ，t h e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fs i n g l e - c h i pa n dt h ea p p l i c a t i o no f c o n t r o ls y s t e m a r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y ，s e v e r a lc o m m o n l yi n t e r f a c ec i r c u i tb e t 3 , v e e ns i n g l e c h i pa n d k e y b o a r da s u m m a r i z e d a n dt h ew o r kp r i n c i p l e so fp ck e y b o a r da r ce x p a t i a t e d o nt h e b a s eo ft h a t ，as i m p l ea n da p p l i e di n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e ns i n # e - c h i pa n dp ck e y b o a r da r e d e s i g n e d a tt h es a m et i m e ，t h ek e y b o a r di n i t i a l i z a t i o np r o g r a ma n dk e y - p r e s sd i s p o s a l p r o g r a ma r ew r i t t e n t h e n ，l c dm o d u l er t 2 4 0 x 6 4d i s p l a yb a s e do ni n n e rm i c r o - c o n t r o l l e r i si n t r o d u c e d ，a n dd e s i g n e dt h eh a r d w a r ei n t e r f a c ec i r c u i tw i t hl c d m o d u l e ，a n dr e a l i z e d d i r e c ta d d r e s s i n gf r o mc p ut ol c d m o d u l e l a s t l y ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o np r o c e s so f l c d s c u t c h e o n - p r i n t e ri sd i s c u s s e dr e s p e c t i v e l yf x o mh a r d w a r et os o f t w a r e ，m o r e o v e r ，t h e d e s i g n e dc i r c u i ta n dt h ei n t e r r e l a t e ds o f t w a r ea r ed e b u g g e ds y n t h e t i c a l l yo nt h ee m u l a t o r a c c o r d i n # y , t h ed e s i g no ft h ei n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e ns i n g l e c h i pa n dp ck e y b o a r da n d l c dd i s p l a y 撕c o m p l e t e ds u c c e s s f u l l y t h i sc o n t r o ls y s t e mc o u l db eu s e di nm u c hm c c h a t r o n i c se q u i p m e n ta n di nw i d ea r e a s w h a ty o un e e dt od oi st oa d dt h i sc i r c u i tt oi n t r i n s i cs y s t e ma n dt a k el i t t l ec h a n g e ，s oi th a s s t r o n gc o m p a t i b i l i t y k e y w o r d s ：s i n # - c h i p ，p ck e y b o a r d ，l c dm o d u l e ，m c c h a t r o n i c se q u i p m e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行的研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：氇g 盟日期：。田竺丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝储繇翠聊躲啡日期一幽 山东大学硕士学位论文 j ie l t | _ - j 目_ _ _ _ _ _ e _ _ e = _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ i 1 绪论 1 1 课题的提出与研究的意义 当前国内许多机电产品，特别是涉及到控制方面的设备，有很多是p c 机或工控机 来完成其控制功能的，这仅仅利用了计算机很小的一部分功能，这样就势必造成了资源 的巨大浪费，并且使成本提高，占用空间加大。另外，在一些操作环境相对较差的场合， 如灰尘较多、温度较高的地方，显然不适合p c 机和工控机的正常工作，会大大降低系 统的可靠性以及缩短机器的寿命，在一定程度上影响了用户的正常生产，给经济效益带 来不必要的损失。 本课题来源于实际生产需要，数控标牌打印机是由山东大学瑞兹机电公司研制开发 的科技含量很高的机电一体化产品，在国内同行业中处于领先地位，属于生产急需设备， 现在的生产销售已初具规模，产品已销售到全国各地，市场潜力巨大。现在其控制功能 就是由计算机来完成的，这样除了会出现以上所说的成本提高、占用空间大外，同时还 存在由于操作人员的误操作使驱动程序或操作系统瘫痪等问题。基于以上原因，决定开 发单片机系统来实现计算机所起到的各项功能，由于单片机在价格方面比p c 微机要便 宜得多，体积也小，可靠性也高，并且其控制性能丝毫不比p c 机和工控机逊色，这样 既可以节省成本，充分利用资源，又可以提高标牌机工作的可靠性，最大限度的使工作 环境对控制性能的影响降到最小。同时，从单片机的发展趋势来看，单片机的网络功能 和存储功能也在不断得到完善，能够满足以后产品的升级和换代来适应企业向网络化和 大型化发展的需要，所以开发这一套控制系统的市场潜力很大，具有较高的应用价值 1 2 单片机的发展及特点 众所周知，数字技术和计算机技术已渗透到了工业、农业、商业、教育、医疗，军 事、娱乐等每一个领域以及生活中的每一个角落，其应用的广度和深度已经到了令人无 不为之昨舌惊叹的地步! 当今，工程技术人员在设计开发一个系统或一个新产品的时候， 首先考虑的是如何应用计算机技术以提高市场竞争能力 尽管p c 机的应用已相当普遍，但是，在工控领域，在日益追求小而精、轻而薄的 自动化控制器、自动化仪器仪表、家电产品等方面，p c 机仍有所不相适宜的地方而 山东大学硕士学位论文 _ e _ = 一ii r a i i _ _ _ _ _ l 工业控制、仪器仪表、家电产品等市场广阔，要求p c 机技术与之相适应在这种情况 下，单片机应运而生了( 也称作微型计算机) 微型计算机的基本结构是由中央处理器( c p u ) 、储存器( r a m r o m ) 、和f o 设 备构成的。所谓的单片机是指将上述微型计算机3 个单元的多个分体中的主要功能用1 个集成电路芯片来实现，使该芯片具有一个微型计算机的基本功能这种超大规模集成 电路芯片即称为单片微型计算机，通常简称单片机。 在单片机的发展史上，美国i n t e l 公司的贡献十分突出：1 9 7 6 年该公司研制出第 一代通用单片机妇c s 4 8 系列，1 9 8 0 年相继推出第二代8 位增强型单片机一- m c s 5 1 系列，1 9 8 3 年又推出1 6 位单片机一m c s 9 6 系列，近年又推出了3 2 位乃至6 4 位的 单片机，可谓发展迅猛。另外，除1 n t e l 公司以外，p h i l i p s 公司、s i e m e n s 公司、 m o t o r o l a 公司等许多大公司，纷纷推出了名目繁多的派生芯片 1 】 2 】。归纳起来， 它是沿着两条路发展的： 改进集成电路制造工艺，提高芯片的工作速度，降低工作电压和降低功耗； 在保留共同的c p u 体系结构，最基本的外设装置( 如异步串行口，定时器等) 和一 套公用的指令系统的基础上，根据不同的应用领域，把不同的外设装置集成到芯片内， 在同一家族内繁衍滋生出各种型号的单片机。 另外，在单片机的应用中，可靠性是首要因素。为了扩大单片机的应用范围和领域， 提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上 采用了各种提高可靠性的新技术，主要表现在以下几点： e f t ( e l e c t r i c a lf a s tt r a n s i e n t ) 技术 低噪音布线技术及驱动技术 采用低频时钟 总之，单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势： 可靠性及应用水平越来越高，和i n t e m e t 连接已是一种明显的走向： 所集成的部件越来越多； ， 功耗越来越低； 和模拟电路结合越来越多 实质上，如上所述，单片机的出现是有两个方面的因素促成的。其一是人类生产的 需要，如仪表的智能化、工业过程控制系统的智能化等都要求构成这些设备的核心部件 必须体积小、控制功能强、抗干扰等另一方面，计算机技术和电子学技术的迅猛发展， 山东大学硕士学位论文 使技术发达国家在7 0 年代已具备了制造超大规模集成电路的能力，使得单片机可以被 实现 单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制方面的需要因此，它 在硬件结构、指令系统、端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其最显 著的特点之一就是具有非常有效的控制功能。因此，单片机又常常被人称为微控制器 单片机和微型计算机类似，具有三总线，可以进行算术运算和逻辑运算，并通过控 制逻辑由总线将运算结果输出到存储器和i 0 设备等。但是，它与微型计算机在内在表 现和外在表现方面又有许多差别。概括起来，单片机具有以下特点【6 】： 存储器r o m 和r a m 是严格分工的r o m 用作程序存储器，只存放程序、 常数和数据表格，而r a m 用作数据存储器，存放临时数据和变量。这样的设计方案更 适用于实时控制系统。配置较大的程序存储空间r o m ，将已调试好的程序固化其中， 不仅掉电时程序不丢失，还避免程序被破坏，从而确保了程序的安全性。实时控制仅需 容量较小的r a m ，用于存放少量随机数据，这样有利于提高单片机的操作速度。 采用面向控制的指令系统在实时控制方面，尤其是在“位”操作方面单 片机有着不俗的表现。 应用注重现场工程，因此体积小。 品种规格的系列化属于同一个产品系列的、不同型号的单片机，通常具 有相同的内核、相同或者兼容的指令系统。其主要的差别仅是在片内配置了一些不同种 类或不同数量的功能部件，以适应不同的被控对象。 单片机的硬件功能具有广泛的通用性。同一种单片机可以用在不同的控制 系统中，只是其中所配置的软件不同而已。 只能借助专门的开发系统进行开发。 功耗低。 价格低。8 0 3 1 和8 0 1 9 6 的价格只有几十元左右，比d a 芯片价格便宜许多， 并有逐年下降的趋势a 由于上述特点和优越性能，单片机已在工业、民用、军用等工程领域得到广泛应 用 山东大学硕士学位论文 m i l 自i _ l - e - l - _ i _ _ l j j _ i _ _ _ - - _ - _ - _ _ _ _ _ - l t 3 单片机的应用现状 单片机可应用于电话机、寻呼机、对讲机等电信设备，电视机、录像机、摄像机、 v c d 机、洗衣机等家用电器，电子玩具，计算机外围设备，办公自动化设备，工业控 制设备，仪器仪表，军用设备等等。有人这样说：“凡是能想到的地方，单片机都可以 用得上”，这并不夸张。全世界单片机的年产量数以亿计，应用范围十分广阔，许多科 技期刊还专门开辟了单片机专栏。 单片机应用的意义不仅仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益，更重要的还在 于从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。以前，必须由模拟电路或数字 电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了这种以软件取 代硬件并能提高系统性能的控制技术称之为微控制技术。微控制技术标志着一种全新概 念，随着单片机的推广普及，微控制技术必将不断发展和日趋完善，而单片机的应用必 将更加深入、更加广泛。 当前，单片机的产量正以每年2 7 的速度递增n 。据统计1 9 9 5 年单片机产量已达 1 6 亿片，到2 0 0 0 年差不多达到2 8 亿片。由此可见，单片机技术无疑是9 0 年代乃至2 l 世纪最为活跃的新一代电子应用技术。随着微控制技术( 以软件代替硬件的高性能控制 技术) 的日臻完善和发展，单片机的应用必将导致传统控制技术发生巨大变革。换言之， 单片机的应用是对传统控制技术的一场革命【3 】【4 】。 我国在8 0 年代初就开始引进了单片机，在资金严重不足的情况下，自行研制了开 发工具和应用软件，根据我国的实际生产需要和借鉴国外单片机应用实例，逐步在我国 开展了单片机的应用工作，现在各行各业都可看到单片机应用的踪迹 与世界的单片机发展，应用情况相比，我国处于相当落后的状态。据统计，1 9 9 5 年我国单片机产品的实际产量仅为1 0 0 0 万片，占世界产量的百分之几，人均单片机的 拥有量还不足一片。从单片机使用角度看，我国单片机使用面虽广，但是使用的批量也 仅集中在空调，洗衣机及电饭煲等家用电器中可见我国的单片机市场很大，尤其在智 能仪表和智能传感器，通讯，测控网络和现场总线，农用单片机以及智能i c 卡等方面 都有着广阔的前景，可以大大拓宽单片机应用领域。 山东大学硕士学位论文 1 4 目前单片机芯片现状 对于单片机的分类，目前还没有公认的方法一般是根据生产厂家不同来归纳，不 同厂家生产得单片机其共同特点是一致的，只是在个别功能性能上有些差异，指令系统 有所不同国际上比较流行的单片机有以下几种：i n t e l 系列；m o t o r o l a 系列；n e c 系 列；p h i l i p 系列；n s 系列；z i l o g 系列；a t m e l 系列。 如同生产微型计算机的微处理器一样，i n t e l 公司在单片机的研究和制造方面也堪 称先锋。 m c s - 4 8 系列是i n t e l 公司1 9 7 6 年推出的第一代单片机由于其功能受到限制，此系 列单片机目前在工程上应用很少 m c s 5 1 系列是n t e l 公司的第二代8 位单片机，与m c s 4 8 系列相比，其o 功能 和指令系统有很大改善和增强，目前该系列在国内还有较为广泛的应用。m c s 一5 1 与 m c s 4 8 系列一样，c p u 操作采用累加器结构，外部数据进入a l u 必须通过a c c 累加 器，因此，存在着信息流通的“瓶颈”现象，降低了运行效率。 m c s - 9 6 系列1 6 位单片机特别适用于各类自动控制系统，如工业过程控制系统、 伺服系统( 随动系统) 、分布式控制系统、变频调速电机控制系统等。还适用于一般的信 号处理系统和高级智能仪器，以及高性能的计算机外部设备控制器和办公自动化设备控 制器。这些系统通常要求实时处理、实时控制。和m c s 5 1 系列相比，m c s - 9 6 系列 单片机至少在以下几个方面提高了系统的实时性： 1 m c s 9 6c p u 操作方式采用寄存器寄存器结构，m c s 5 1 则采用累加器方 式与m c s 5 1 相比，m c s 9 6c p l i 操作速度更快更方便，功能更强。c p u 的操作直接 面向2 5 6 字节的寄存器，消除了一般c p u 结构中存在的累加器的瓶颈效应，提高了操 作速度和数据吞吐能力： 2 2 5 6 字节寄存器中，2 4 字节是专用寄存器，其余2 3 2 字节均为通用寄存器。器 通用寄存器的数量远比一般的c p u 的寄存器数量多。这样就有可能为各中断服务程序 中的局部变量制定专门的寄存器，免除了中断服务过程中保护寄存器现场和恢复寄存器 现场所支付的软件开销，并大大方便了程序设计 3 有一套效率更高，执行速度更快的指令系统。可以对带符号数和不带符号数进 行操作；1 6 位乘1 6 位指令的执行时间为1 4 u s 6 2 5 u s ( 对不同型号的芯片) ，3 2 位除1 6 位指令的执行时间为2 4 u s 6 2 5 u s ；还有符号扩展，数据规格化( 用于浮点计算中) 等指 山东大学硕士学位论文 令此外，3 操作数指令大大提高了指令效率。 4 在8 0 c 1 9 6 k c 以后的芯片中，增加了一个外设事务服务器p t s ，专门用于处理 外设中断事务，和普通中断服务过程相比，p t s 服务大大减少了c p u 的软件开销。 除上述几点外，m c s 9 6 系列单片机还集成了更为丰富的外设装置： 振荡器和时钟发生器 定时器计数器 标准输入输出口 全双工异步和同步串行输入输出口 监视定时器( w a t c h d o g ) ，用于提高系统抗干扰能力 模拟数字转换器 高速输入输出器( h i s 小s o ) 或事件处理器阵列( e p a ) 脉宽调制输出 波形发生器 。 外设事务服务器( p t s ) 从口( s l a v ep o r t ) 频率发生器 片选输出单元 综上所述，m c s 9 6 系列1 6 位单片机具有更丰富的软硬件资源，具有更高的性能， 它比8 位单片机更适用于一些比较复杂的系统中。并且价格也比较低，性价比相对较高。 i s 本课题研究的主要工作 本课题的主要工作是实现单片机替代p c 微机的部分控制功能，开发出利用标准键 盘作为输入设备、液晶显示器作为显示设备的控制系统，实现过去由p c 微机完成的控 制工作，并开发出和p c 机相对应的软件系统，使操作和用户界面尽可能的和p c 机相 近，便于用户使用。主要包括以下几个方面： ( 1 ) 单片机控制硬件系统开发包括单片机与p c 标准键盘及液晶显示的硬件接 口以及周围相应的电路设计； ( 2 ) 单片机控制软件系统开发。包括单片机对p c 标准键盘的初始化及控制、对 液晶显示控制以及控制整个系统运行的软件设计； 山东大学硕士学位论文 j _ _ _ _ _ - - _ - _ 一i i i m l l l li l l 1 1 l _ - _ - _ - 。- _ 。- 。- 。一 ( 3 ) 学习使用电路袄设计软件( 如p r o t e l 等) ，并在诧基础上完成电黠叛魏设 计、加工、焊接工作； ( 4 ) 此控制系统的软、硬件综合调试。在仿真器环境下把软、硬件两部分有机的 结套起来，通过调试实现p c 键盘和液晶显示在所设计的单片机环境下正常运行 - 7 一 山东大学硕士学位论文 2 单片机与标准键盘之间的接口电路设计 在实现人机界面的系统中，键盘和显示器是两个主要的部分，在这一章和下一章中 就这两部分分别论述一下 2 1 概述 随着单片机在各种智能仪表、工业过程自动控制系统中的应用日益广泛，在某些 应用场合往往需要对单片机控制的工艺过程进行参数的修正或设置，人为对单片机的工 作进行必要的干预，此时人与单片机之间进行对话的接口设备键盘则显得特别重要， 其键盘输入成为不可缺少的一部分。目前，在单片机应用系统中，大多数键盘是根据不 同的应用要求分别设计的。根据硬件的组成或其工作方式，可分为外部中断键盘、矩阵 扫描键盘或者采用专用键盘接口以及使用标准键盘。 由于计算机的迅速普及，与其配套的标准微机键盘的价格也迅速减低，另外又由于 标准键盘键位数量多、可靠性商、通用性强等优点；这使得微机键盘也得到越来越广泛 的应用：在使用环境许可的情况下，p c 微机通用键盘用于单片机应用系统，将使单片 机的键盘设计更为简便，在造价很低的情况下可获得1 0 0 个左右键，这就使得机电系统 的设计人员可以将更多的精力用于系统功能的设计上所以，微机标准键盘在单片机系 统中得到了越来越广泛的应用。 在本课题中，需要打印的字符为数字0 - 9 ，所有2 6 个大写的英文字母以及最少2 0 个左右的小写英文字母等，并且还有其他的备用字符等，另外再加上系统设计时的控制 按键，所以系统中用到的按键数目最少也应该在8 0 个左右，即使采用复用键的方式， 也不小于5 0 个键。所以说键盘系统还是比较复杂的，如果采用专门的设计键盘不仅硬 件电路复杂，软件开销大，并且可靠性也需要较长时间的验证，并且开发周期和开发成 本也比较高；所以根据本课题的实际情况，决定采用p c 标准键盘作为输入工具下面 将p c 标准键盘的工作原理作一下重点地介绍。 山东大学硕士学位论文 2 2 单片机与标准微机键盘之间的接口 2 2 1p c 通用键盘及其特性 目前用的键盘一般有1 0 1 个键或1 0 3 个键。它内部含有专用单片机控制，通过5 ( 或6 ) 芯电缆与系统主机相接。一条数据线，一条时钟线均是双向的( 即可向系统发 键盘数据，又可接收系统发来的键盘命令) 。一条是复位线( - - 般不用) ，另两条分别是 + 5 v 和地线。图2 - 1 给出了微机键盘插头布局图。 c u ( 一时钟线 c , n o 一地线 d a t 噘向数据线 c l k - 时钟线 g n d 一地线 d a t 双向数据线 图2 - l 微机键盘插头布局图 p c 机键盘本身是一个由单片机组成的智能系统，它通过软件周期性地检查按键， 当有键被按下时，消除抖动后向主机周期性地发送该键的接通码( 扫描码) 。这种周期 性地发送接通码称为拨发当该键释放后，又向主机发断开码( o f o h ( o e o i - i + o f o h ) + 扫描码) ，从而完成一个按键数据的传送。当有多个键同时被按下时，只有最后闭合的 键被拨发，而当这个键被释放后，其它键也不被拨发，即其它键只发送一个接通码任 意一个闭合的键断开时，键盘都会向主机发送该键的断开码。键盘扫描码暂存在其缓冲 器内，在键盘时钟脉冲同步下，键盘内单片机将缓冲器所存放的扫描码由低位至高位， 依次通过引出的信号线向外发送串行信号。现在常见的五芯和六芯键盘插头布局如图 2 - 5 所示f j 8 1 1 2 0 ! 微机键盘尽管形式各异，但一般都符合三种标准“”，p c x t 标准、p c a t 标准、p s 2 标准所以键盘在同微机通讯时，存在两种传输协议：x t 传输协议，串行数据为9 位； a t 传输协议，串行数据为1 1 位，是较常用的一种标准，目前许多微机键盘都兼容这一 标准下面分别作以介绍 山东大学硕士学位论文 2 2 2p c x t 标准 当键盘工作在p c x t 标准下时，d ( 数据线) 和c ( 时钟线) 发出的信号有如下 特性： ( 1 ) 按下或释放键时，d ，c 线将以串行方式发送一组数据和时钟信号；按下键 不动超过一定时间时，键盘按一定的时间间隔，由d 、c 发出多组信号 ( 2 ) d 、c 发出的每组信号中，c 有9 个负脉冲，d 有9 个数据，d 与c 脉冲同 步输出，d 的宽度( 0 或1 ) 比c 的脉冲高电平稍宽一些。设d 最先发出的数据为d 0 ， 最后发出的数据为d 8 ，则d 依次发出d 0 - d 8 。 ( 3 ) 九位串行数据d o d 8 中，d 0 - - , d 6 七位为各键的扫描码。在键按下时发出的 ( 包括超时后发出的) 数据中，d 7 = 0 ；在键释放时发出的数据中，d 7 = l ；d 8 为结束标 志，d 线发出d s = i 时，表示一组数据已发送结束。 在这种传输协议下。键盘只能接收主机的复位命令和向主机传送数据，而a t 标准 就不同了，其功能要比x t 标准强大的多，所以a t 标准要比x t 标准常用，并有逐步 代替的趋势。 2 2 3 p c a t 标准 1 键盘功能 a t 标准键盘的串行数据为l l 位，键盘通过数据线和时钟线与系统通信，它接收 系统发来的键盘命令码，送出键盘数据，在接通电源后键盘首先进行复位等初始化工作， 然后进行键盘扫描，作好接收命令和发送键盘数据的准备工作。键盘和系统相互间的数 据通信均采用1 1 位格式的串行方式：第一位起始，第2 胡位是8 位数据位( 低位在前 高位在后) ，第1 0 位是奇偶校验位，第1 l 位是停止位，数据的起始位为低电平。系统 接收的键盘数据和键盘接收的键盘命令均在移位时钟的下降沿同步输入，时钟周期为 5 0 u s 。 2 键盘命令 键盘命令是由系统发给键盘的命令码。键盘在接收到这些命令时，在2 0 m s 内予以 响应，既送回一个响应( f a h ) 。键盘命令的含义如下： ( 1 ) f f h 复位键盘使键盘复位和内部自测试操作。 山东大学硕士学位论文 复位键盘过程为【1 5 l ： 键盘接收到f f h 后立即回送f a h 作答； 键盘接口收到f a h 后，使键盘时钟和数据线置为高电平； 键盘检测到此状态后，开始程序复位和内部自测试操作； 若程序复位和内部自测试正确完成，键盘发送a a h 以表示结束，否则以f d h 表 示诊断有误 ( 2 ) f e h 重新发送检测到键盘数据错误时，要求键盘重新输出原来的内 容。 ( 3 ) f 6 h 设置键盘缺省值使键盘复位到初始状态，并允许键盘扫描和输出 数据。 ( 4 ) f 5 h 设置缺省值并停止键盘使键盘复位到初始状态，并停止键盘扫描。 ( 5 ) f 4 h 启动键盘清除键盘输出缓冲器，并启动键盘扫描和输出数据。 ( 6 ) f 3 h 设置拍发速率延时参数 ( 7 ) e e h 回响命令一要求键盘接收到此命令时回送e e h 予以响应 ( 8 ) e d h 置位复位l e d 指示器。 主机通过设置数据线和时钟线的状态，指导键盘收发数据1 1 9 】： ( 1 ) 时钟线为低电平，禁止键盘传送数据； ( 2 ) 时钟线为高电平，数据线为低电平，通知键盘接收命令或参数； ( 3 ) 时钟线和数据线都为高电平，允许键盘传送数据。 3 键盘数据 键盘数据包括键盘扫描码和命令响应码键盘扫描码是用户按下键盘按键时，键 盘发送给系统的数据，不同的键，其码值是不同的。可通过查阅有关资料【1 7 1 或测试获 得【1 6 1 1 0 1 键盘( a t 标准) 扫描码对应键功能如表2 1 所示。 表2 11 0 1 键盘扫描码对应键功能 扫描码基键上档键值扫描码基键上档键值 a ae s c e s c 3 3hh 1 6l i 3 b j j 1 e2 4 2kk 2 63挣4 8ll 2 5 4 s4 c 山东大学硕士学位论文 2 e 55 2 3 66 o e 3 d 7&1 2l e rs h i f tl e f ts h i f t 3 e8 5 d、 i 4 69 ( 3 l nn 4 5 o ) 3 amm 4 e4 1 6 6 b s p a e eb s p a c e 4 al 0 d 妇6 t a b 5 9 r i g h t s h i f t r i g h ts h i f t 1 5 qq 1 ll e f t a i t l e f t a i t 1 dww e 0 ，1 1 l e f t c t f l l e f t c 打l 2 4ee2 9 s p a c eb a rs p a c eb a r 2 drr5 8 c a p s l o e kc a p s l o c k 2 c tt 0 5 f lf 1 3 5yy0 6f 2f 2 3 cuu0 4f 3f 3 4 3 ii o c f 4f 4 4 4oo0 3f 5f 5 4 dppo bf 6f 6 1 caa8 3f 7f 7 l bss0 af 8f 8 2 3dd 0 1f 9 f 9 4 bff0 9f 1 0f 1 0 3 4gg 7 8 f 1 1 f 1 1 扫描码基键上档键值扫描码基键上档键值 0 7 f 1 2f 1 27 7n u l nn u n ll o c k l o c k 1 6 zz e 0 ，4 a k j 2 2xx7 bk -k 2 1cc6 ck 7h o m e 2 6vv 7 5 k 8 u p a r r o w 3 2 b b7 dk 9 p a g e u p 5 a e n t e r e n t e r 7 9k +k + e 0 ，7 0 i n s e r t i n s e r t 6 b k 4l e f ta r r o w e 0 ，6 c h o m eh o m e7 3k 5硒 1 2 山东大学硕士学位论文 e 0 ，7 d p a g e u pp a g e 7 4 k 6 r i g h t a r r o w u p e 0 ，7 1 d e l e t e d e l e t e 6 9k le n d e o 6 9e n de n d7 2k 2d o w n a r r o w e 0 ，7 ap a g ep a g e 7 a k 3 p a g ed o w n d o w nd o w n e 0 ，7 5u pu p a r r o w e 0 ，5 a k e n t e rk e n t e r a r r o w e 0 ，7 2 d o w nd o w n7 0k oi n s a r r o wa r r o w e 0 6 b l e f t l e f t 7 lk d e l a r r o wa r r o w e 0 ，1 1r i g h tr i g h t e 0 ，1 4 r i g h tc t r lr i g h tc t r l a r r o wa r r o w 5 8 f 7 ck 5 7 】 7 es c r o l ls c r o l ll o c k l o c k e 0 ，1 2 p r i n tp r i n te lp a u s ep a u s e s c r e e ns c r e e n 表中带“k ”字的为小键盘的键；当扫描码为“e 0 ”开头的双码扫描码时，断开 码为：e 0 + f 0 + 扫描码。命令响应码，则是键盘对系统命令的响应。其含义如下： ( 1 ) f e h 请求重发收到一个奇偶校验错或无效命令时，请求系统重发命 令。 ( 2 ) f a h 正常应答一对任何一个有效的键盘命令，均以该响应作答。 ( 3 ) 0 0 h 超限应答当用户按键速度超出键盘内缓冲器存放的1 6 个扫描码 时，发出该应答 ( 4 ) f d h 诊断故障应答键盘在自测试过程中，若有故障则以f d h 应答。 ( 5 ) a a h 诊断正常应答一键盘在自测试过程中，若无故障则以a a h 应答。 ( 6 ) e e h 回响命令应答键盘收到系统的回响命令( e e h ) 时，也发出一个 e e h 作答。 ( 7 ) f o h 断开扫描码前缀字节断开扫描码前两个字节，第一个字节总是 f o h ，第二个字节和接通扫描码相同。 4 通讯方式 ( 一) 键盘向主机发送数据 由于键盘输入是异步的，且具有实时性，所以主机系统以中断方式支持键符的随 1 3 山东大学硕士学位论文 机输入每当键盘接口接收完从键盘送来的串行扫描码时，即向中断系统发出一个键 盘中断，若c p u 响应该中断，则由键盘中断程序读取此扫描码，经转换后成为系统扫 描码，存到键盘缓冲区，或仅设置某种键盘状态( 如c a p sl o c k ，n u ml o c k 等控制键按 下) 。键盘发送数据时，数据线和时钟线都由键盘控制。 键盘发送一个字节的数据格式见表2 - 2 。如果一组数据由多个字节构成，则以该格 式依次传送每一个字节 表2 - 2 键盘数据格式 例如，发送字符“q ”的接通扫描码( 15 聊和断开扫描码( f o h ，1 5 d 时序见图2 - 2 所示。 1 订几n 几f - n 呷川uu 1厂 可n 门n 厂 f i j 蓓通扫描玛时序 i 峨井扫描珥对序 图2 - 2 时序图 键盘首先检测时钟线和数据线的状态，当两者皆为高电平时，开始传送数据。依 次传送起始位、8 b i t s 的数据位、校验位和停止位。每传送一位，时钟线同步地产生一 个脉冲。当主机收到该数据后，将时钟线置成低电平并保持一段时间。禁止键盘继续 发码，以便于检验该数据的正确性，并产生中断，进行代码转换和执行相应的操作。 如果检验出错。就向键盘传送命令f e h ，要求重送。 ( 二) 接收键盘命令和参数 开机时以及在某些特殊情况下( 如设置指示灯或拍发速率) ，主机会发送一些键盘命 令和参数。一条命令或参数占用一个字节。例如，主机向键盘发送复位命令f f e 0 ，键 盘接收该命令的时序见图2 - 3 。 前一n n o 1 1 1 1 n 嘣1 1 n m0n n 1 f l n 1 1 百订厂 几几厂一 图2 3 时序图 山东大学硕士学位论文 主机首先将时钟线置为低电平，随后将数据线置为低电平，时大约200 l ls 后， 将时钟线置为高电平，当键盘检测到这一状态后，开始接收键盘命令 特别值得注意的是，在接收键盘命令或参数时，虽然数据是主机发向键盘的，但 是时钟脉冲是由键盘产生的主机在时钟线上每接收一个负脉冲的下降沿，就在数据 线上输出一位数据，键盘可在该负脉冲的上升沿采样数据线，依次接收到8 个数据位， 1 个校验位，1 个停止位后，键盘回送一个负脉冲，以告接收完毕如果接收正确，在 时钟线和数据线都成为高电平后，键盘将向主机发一个信号f f a h ) ，否则向主机发一 个f e h 信号，要求重发。主机收到f e h 信号后，把刚才输出过的数据重新发送一次 如果这一过程持续三次后，键盘仍然不能正确接收，主机就放弃传送这个数据，转去 执行下面的程序或显示错误信息。 在此应用系统中，可在此通讯协议的基础上对硬件和程序进行适当的简化，以使 其能在满足使用要求的情况下尽量做到最简 2 2 4 两种标准的接口电路设计 图2 _ 4 和图2 5 列出了两种基于x t 协议的接口电路。这两个电路基本相近，它们 均在键盘释放时产生中断，同时封锁时钟c 信号。在图2 - 4 中，左侧为通用键盘及插头， 右侧为单片机8 9 c 5 2 ，中间为两者的接口电路。键盘信号送到接口时先经上拉电阻和电 容滤波后，d 直接送到7 4 1 - i ( 2 2 4 4 数据接收端，c 信号送到7 4 h c 3 2 两片7 4 h c l 6 4 用 于串行接收d 送出的键编码，再经7 4 h c 2 4 4 后由单片机读入。7 4 h c 2 4 4 选通信号当p 2 7 和r d 同时为低电平时产生。7 4 h c 3 2 ( 1 ) 是一个或门，用于开通或封锁c 信号；4 0 1 0 6 是一个带史密特回环的反向器。 在图2 4 中，若7 4 h c l 6 4 首先由p 3 0 端清零，则1 q l = o ，c 信号是开通的且可以 送到7 4 h c l 6 4 。同时4 0 1 0 6 输入端为低电平，输出为高电平，既i n t 0 中断信号为高电 平 当键被按下时，d 、c 端虽然也发出数据或信号，但在1 q 1 端仅出现短暂的高电 平，而r 3 c 3 积分电路的存在使u c 3 电压被延迟r 3 c 3 参数分别为2 k o 、0 2 m r , 积分时问常数为0 4 m s ，由于1 q i = i 存在时间较短：u c 3 将达不到高电平，无法使4 0 1 0 6 输出低电平产生中断，也不能封锁c 信号。 当键被释放时，1 6 4 收到一组键释放信号，其中d 7 = l ，既1 q i = i ，且在下次按键 1 5 山东大学硕士学位论文 前l q l = 1 一直保持着，其时间足以使u c 3 由低电平变成高电平，4 0 1 0 6 输出由高变低 向8 9 c 5 2 发出中断信号；同时封锁信号c ，并使d 发出的d 0 - - , d 7 锁存在两片1 6 4 的2 q 0 和1 q 7 1 q o 中。在9 9 c 5 2 响应中断读取d 0 - - - d 7 并将1 6 4 清零后，i q i = o 使4 0 1 0 6 输 出高电平，同时解除对c 的封锁 d 0 d 8 与各1 6 4 输出端q 的对应关系如下： l d 8 d 7d 6d 5d 4d 3 d 2d ld o | 1 q ol q l1 q 21 q 3 1 q 4 1 q 5 1 q 61 q 71 q 8 图2 - 5 电路与图2 - 4 相近，其差别是在7 4 h c 3 2 ( 1 ) 输出端加入一个反向器4 0 1 0 6 ， 使c 信号反向后加到1 6 4 ；考虑到延时作用，在d 端串入两个反向器，由于1 片4 0 1 0 6 含6 个反向器，4 0 1 0 6 的片数未增加。该电路仅在键释放时产生中断信号，且封锁c ， d 0 d 7 接收后保存在q 7 - 一q o 端，其对应关系如下： i d 7d 6d 5 d 4d 3d 2 d ld o i q o q lq 2q 3q 4q 5q 6q 7 7 4 h c l 6 4 的时序要求是：当c l k 由低电平变成高电平时，产生一次串行移位对 图2 - 5 而言，由于c 信号经反向器后加到1 6 4 的c l k 端，因此c 的下降沿是1 6 4 c l k 的上升沿，既移位发生在c 信号的下降沿。 图2 4p c 键盘与单片机的硬件接1 2 之一 1 7 图2 5p c 键盘与单片机的硬件接口之_ - - 由于中断信号靠d