可变增益放大器软件设计.doc

郑州轻工业学院本科毕业设计（论文） 题 目 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 指导教师 完成时间 2010 年 月 日 郑州轻工业学院毕业设计（论文）任务书主要内容、基本要求、主要参考资料等：一、 主要内容1.89C51系统的设计；2.测量放大器设计；3.D/A转换器等接口设计；4.显示，采集，预置等程序设计。二、 基本要求1.步距为1可预置显示，放大增益为11023可调；2.英文翻译5000字符；3.资料综述3000字符；4.中英文摘要300字符；5.仪用放大器软件编制；6.编写毕业设计说明书一份；7.设计图纸一张。三、 主要参考资料1. 何立民编著单片机应用系统设计北京航空航天大学出版社1991.12. 李清泉 黄昌宁编著集成运算放大器原理及应用科学出版社1980.23. 秦世才 王朝英编著集成运算放大器应用原理天津科学出版社1983.104. 余淑美编著微机原理接口技术及应用中国广播电视出版社1993.95. 全国大学生电子设计竞赛组委会编著全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编北京理工大学出版社2004.8完 成 期 限：2010.3.12010.6.20 指导教师签名： 专业负责人签名： 2010年 3 月 日目 录中文摘要I英文摘要II1.绪论12 系统设计方案22.1设计方案及工作原理22.2 电源设计32.2.1整流电路32.2.2 稳压电路42.3 信号变化放大器部分52.4 前置放大器电路的设计62.5 程控增益放大部分的设计73系统硬件设计93.1 AT89C51单片机93.1.1 AT89C51单片机的功能93.1.2 单片机最小系统153.2 D/A芯片AD7520的扩展163.2.1 梯形电阻式D/A转换器原理163.2.2 AD7520183.3 可编程键盘/显示器接口INTEL 8279193.3.1 8279内部结构和工作原理203.3.2 8279与单片机、键盘/显示器的接口电路304 系统的程序设计314.1 程序控制增益流程图314.2 8279显示键盘接口显示程序流程图：324.3 8279接口板键中断服务子程序框图：33结论34致谢35参考文献36附录一 单片机系统电路图37附录二 电源电路图38附录三 主程序39附录四8279显示键盘接口显示程序40附录五 4*6键盘扫描程序43可变增益放大器软件设计可变增益放大器软件设计摘要本设计由五个模块电路构成：直流稳压电源、信号变换放大器、前置放大电路、D/A变换器AD7520和单片机键盘显示处理模块。利用电路对称性设计，提高系统的CMRR（共模抑制比）；巧妙反置应用D/A变换器，使得增益控制精确，操作方便;程控增益1-1023手动可调，步距为1。单片机键盘显示处理模块除可以对8279进行实时控制外，还可进行对AD7520的控制。关键字： 单片机；可控增益；放大器；设计THE DESIGN OF A VARIABLE GAIN CONTEOL AMPLIFIERABSTRACT The measuring amplifier in this design consisits of five cicuit blocks:a regulated DC supply, a signal transform amplifier , a preamplifier circuits ,an AD7520 of D/A converter,and a SCM display and processing block.Taking advantage of the symmetry of the cirucuits,the CMRR is increased;using the DAC adroitly, the gain control becomes accurate and easy to manipulate. The gain is adjustable from 1 to 1023 manually,stepselectable as 1.In addition of real-time control of 8279, the SCM display and processing block is also used for control of AD7520.Key words: minimal,controllable,gain amplifier,design461.绪论随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。放大器是电子系统的重要组成部分，了解和掌握放大器的设计对于学习和应用电子系统有很大的帮助。信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有测量放大器和隔离放大器。 测量放大器又称为 数据放大器或仪表放大器，常用于温度、速度等的测量以及其他有较大共模干扰的缓变微弱信号的检测。测量放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。差分放大器和测量放大器所采用的基础部件（运算放大器）基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和测量放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（）。它们通常不需要外部反馈网络。在精密的数据采集场合，常常采用仪用放大器，利用它所具有的高输入阻抗、高共模抑制比和精确的电压增益，但对称的电路结构给实际应用带来不便，对外围元件的公差要求严格，所以在应用中受到限制。为此，我们设计了通过对D/A转换器的反置使得增益控制精确、操作方便的测量放大器，弥补了传统仪用放大器的不足。该设计课题的研究和制作需要对可变增益系统有一个全面的了解、对可变增益放大器的工作流程：D/A转换，单片机（51单片机，显示电路，键盘控制），显示和各模块的连接通信等各个部分要熟练联接调试，能够正确的了解常规芯片的使用方法、掌握简单可变增益放大应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我们在信号处理方面的实际工作能力。2 系统设计方案2.1设计方案及工作原理采用单片机控制的测量放大器系统的组成框图如图2.1所示。键 盘单片机输出电路程控放大前置放大信号变换器传感器的输出信号译码驱动电路显示器图2.1 采用单片机控制的测量放大器系统组成框图在图2.1中，来自函数发生器的模拟信号经过信号变换电路后送前置放大器，然后送程控放大器进行再次放大；而程控放大器的增益要求可变，其数值则可通过键盘设置并送入单片机系统，单片机输出一方面送程控放大器控制其增益按预置数值变化，一方面经译码驱动电路送LED显示该预置值。显示驱动电路采用INTEL 8279，它含有键盘输入和显示器输出两种功能。键盘输入时，它提供自动扫描，能与按键或传感器组成的矩阵相连，接收输入信息，它能自动消除开关抖动并能对多键同时按下提供保护。显示输出时，它有一个168位显示RAM，其内容通过自动扫描，可由8或16 位LED数码管显示。程控放大部分包括D/A转换器AD7520和输出放大。通过D/A转化器AD7520把输入电压放大到手工调节的倍数。增益控制的实现如下：D/A转换器AD7520的管脚排列如图2.2所示，将模拟信号（15V+15V）从参考电源URE端输入，而放大倍数所转换成的二进制从D0D9输入。图2.2 AD7250引脚排列通过D/A转换将模拟信号放大到欲实现的放大倍数并有倒像功能。设计中要求将信号放大0倍1023倍。如果将每位定为0，则十进制也为0；如将十位二进制全定义为1,则（1111111111）=1023。AD7520可看成是一个R-2R电阻网络（如图2.9），而10位数据口的输入则相当于对该网络的输入电阻进行编程，对于输入不同德数值量，得到不同的输入、输出电压比。由于前置放大器已经做了相应的放大，中间级又做出了相应的放大，只要调整相应的输出放大器就得到要求的放大倍数。现在采用的单片机控制的数/模转换器AD7520是10位的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。十位DAC(AD7520)数字量每改变一个bit，该放大器输出就改变输入量的1/1024。因此，完全可以实现放大倍数步距为1的变化。2.2 电源设计本系统的电源主要是由变压器、稳压芯片组成，因为整个系统用到5V，所以稳压芯片选择了LM7805和LM7905，在放大器中要用到15电压，所以选择了LM7815和LM7915两个稳压芯片；从15V直接转到5V时，因为管压降电压不能太大，所以中间又通过12V进行过渡，这要用到稳压芯片LM7812和LM7912。下面对电路进行说明。2.2.1整流电路 整流桥的的任务就是将交流电变换成直流电，一般的用二极管就能实现，但为了能更精确、抗干扰能力更强，我选择了整流桥进行整流，下面是整形电路，如图2.3所示；图2.3 整流电路 电路中的D1为整流桥，电源为三线的18V变压器，后级的电容直接对地，目的是为了滤波，从而使得到的波形更平滑，所加的大小一般有一定的约束，如图2.4所示；图2.4 电容选择表2.2.2 稳压电路当交流电通过整流桥转换为直流后，我们要经过稳压芯片进行电压变换，从而等到所需要的电压值，图2.5是稳压部分电路图。图2.5 稳压电路 电路中的78L15、78L12、7915、7912为稳压芯片，电路图中电容主要是为了滤波去耦，电容的大小不能太小，耐压值要根据所加电压来确定，本设计中所选的电解电容为100UF，瓷片电容为0.1UF。2.3 信号变化放大器部分此部分我们采用单端输入双端输出地差动放大级进行信号的变换。同时用高精度、低漂移的运放来代替晶体三极管，从而将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真地转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。本电路采用的运放是OP07，如图2.6图2.6 信号变换放大器电路同相放大器结成射随器，前端输入进行分压，从而使,反向放电器的,使得，从而实现不失真变换。2.4 前置放大器电路的设计前置放大器电路的设计方案如下图2.7：图2.7 前置放大器电路此电路的优点在于输入电压接在两个运放的同相端，输入阻抗高，共模抑制比大。由电路的对称性可知共模信号被有效地抑制，而差模信号放大了10倍，从而提高了共模抑制比。另外，温度在两个输入端引起的漂移是共模信号，对输出电压影响很小，无需另外补偿。第一级差模放大倍数计算如下：, 解得即差模增益为=10第二级差模放大倍数计算如下：此级放大倍数=3.9所以总的前端放大倍数2.5 程控增益放大部分的设计 鉴于D/A转换器能把数字量变成模拟量，它的内部结构一般是电阻R-2R梯形网络，并集成有多路模拟开关。因此，我们采取了与常规D/A变换不同的用法，巧妙地反向利用D/A转换器的内部电阻网络实现此功能。又考虑到AD7520是一种廉价型的10位D/A芯片，有CMOS电流开关和梯形网络构成，结构简单，通用性好，配置灵活，其内部电阻网络由薄膜电阻构成，激光修正，相对于继电器和模拟开关等设计电阻网络而言，具有精度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点。其等效电路图为图2.8图2.8 带R-2R电阻网络的放大器 由数字量控制的R-2R梯形网络在反馈回路上等效为输入电阻RP。从参考电压VR流经梯形网络至IOUT端的电流和没有分流电阻时的电流I（IOUT1）相比，其关系为 因此，这种程控增益放大器的增益A为数字量D与放大器增益A的关系表如表2.1所示：表2.1 数字量D与放大器增益A的关系11111111111111111110.0000000000-1023-1022.-1增益A数字量（D）通过调节Rfb的值，可使上表的对应关系得以满足。可见引入AD7520及单片机控制后，放大器的增益可以任意改变且可以做到其距离步距为1。AD7520是10位CMOS集成DAC，需外接运算放大器才能构成完整的DAC。由于AD7520本身带负载能力弱，因此其输出必须通过运算放大器将IOUT1和IOUT2转换成相应的电压输出。MCS-51与AD7520连接见图2.9。图2.9 MCS-51与AD7520的接口方法电路中运算放大器接成普通的反相比例放大形式，AD7520内部的反馈电阻R为运算放大器的输入电阻，而由数字量控制的倒T型电阻网络为其反馈电阻。当输入数字量变化时，倒T型电阻网络的等效电阻便随之改变。这样，反相比例放大器在其输入电阻一定的情况下可得到不同的增益。为保证最终输出电压增益为1-1023，所以最大电压放大倍数为Av3=1023/39，此时将D/A转换器中的数值置为1023，通过调节负反馈Rfb来实现Av=1023，以后不需要再次调整Rfb.3系统硬件设计3.1 AT89C51单片机AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.1.1 AT89C51单片机的功能3.1.1.1 主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 3.1.1.2 管脚说明（图3.1）：图3.1 AT89C51管脚分布VCC：供电电压，GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。P3口管脚备选功能： P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反相振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反相振荡器的输出。3.1.1.3 振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反相放大器的输入和输出。该反相放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.1.1.4 芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.1.1.5 复位电路：MCS-51单片机复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。（1）复位功能：复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位（如图3.2(a)）和按钮复位(如图3.2(b)两种方式。图3.2 RC复位电路（2）单片机复位后的状态：单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见表3.1。 值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。 说明：表中符号*为随机状态；表3.1 寄存器复位后状态表特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态ABPSWSPDPLDPHP0P3IPIE00H00H00H07H00H00HFFH*00000B0*00000BTMODTCONTH0TL0TH1TL1SBUFSCONPCON00H00H00H00H00H00H不定00H0*BPSW00H，表明选寄存器0组为工作寄存器组； SP07H，表明堆栈指针指向片内RAM 07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入到08H单元中；Po-P3FFH，表明已向各端口线写入1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出 。IP00000B，表明各个中断源处于低优先级； IE000000B，表明各个中断均被关断； 系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部RAM内部的数据则不变。3.1.1.6 晶振电路：晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作.晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。晶体振荡电路如图3.3： 图3.3晶振电路3.1.2 单片机最小系统单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路.下面给出一个51单片机的最小系统电路图（图3.4）。图3.4 最小系统电路图在智能化仪器仪表中，控制核心均为微处理器，而单片机以高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用，是设计智能化仪器仪表的首选微控制器。单片机结合简单的晶体振荡电路和复位电路即可构成单片机最小系统，它是智能化仪器仪表的基础，也是测控、监控的重要组成部分。3.2 D/A芯片AD7520的扩展3.2.1 梯形电阻式D/A转换器原理 按二进制数的各位代码的数值，将每一位数字量转换成相应的模拟量，然后将各模拟量迭加，其总和就是与数字量成正比的模拟量。 DAC的基本电路由四部分构成：参考电源、电阻网络、电子转换开关和运算放大器。如图3.5所示。（1）参考电源VREF：提供数字量转换成相应的模拟量的基准电源；（2）电阻网络：又称解码网络，是DAC的关键部件。图3.5中所示的为R-2RT型网络，具有4位数字量输入；（3）电子转换开关：受输入数字量的控制。当该位为1，则接通开关1，否则接通0，从而形成总的输入电流，以形成对应的模拟量；（4）运算放大器：将总的输入电流信号变成电压信号。图3.5 R2R梯形电阻网络电路图中A1An各节点往右看，对地的电阻值均等于R。从左到右，各路电流分配规律是IR/2， IR/4，, IR/2n，则输出电压为： 即模拟输出电压Uo与二进制输入信号成正比。DA转换电路输入与输出形式 （1）D/A数字量输入端可以分为：不含数据锁存器(需外加数据锁存器).含单个数据锁存器.含双个数据锁存器(用于多个D/A同时转换的场合).（2）D/A的输出电路分为:单极性电路（图3.6）双极性电路（图3.7）图3.6 D/A转换器单级性输出电路UOUT=-（VREF/28）D图3.7 D/A转换器双极性输出电路UOUT=-（2U1+VREF）3.2.2 AD7520AD7520是十位CMOS数模转换器，其电路和图2.2相似，采用倒T形电阻网络。模拟开关是CMOS型的，也同时集成在芯片上。但运算放大器是外接的。AD7520的外引线排列及连接电路如图3.8所示。 图3.8 AD7520的外引线排列及连接电路AD7520共有16个引脚，各引脚的功能如下。（1）1为模拟电流 输出端，接到运算放大器的反相输入端。（2）2为模拟电流 输出端，一般接“地”。（3）3为接“地”端。（4）413为十位数字量的输入端。（5）14为CMOS模拟开关的+UDD电源接线端。（6）15为参考电压电源接线端，可为正值或负值。（7）16为芯片内部一个电阻R的引出端，该电阻作为运算放大器的反馈电阻，它的另一端在芯片内部接端。表3.2 AD7520输入数字量与输出模拟量的关系，3.3 可编程键盘/显示器接口INTEL 8279INTEL 8279是一种可编程键盘/显示器接口芯片，它含有键盘输入和显示器输出两种功能。键盘输入时，它提供自动扫描，能与按键或传感器组成的矩阵相连，接收输入信息，它能自动消除开关抖动并能对多键同时按下提供保护。显示输出时，它有一个168位显示RAM，其内容通过自动扫描，可由8或16 位LED数码管显示。3.3.1 8279内部结构和工作原理3.3.1.1 8279内部结构8279的内部结构框图如图3.9所示，下面分别介绍电路各部分的工作原理。图3.9 8279结构框图1）I/O控制及数据缓冲器数据缓冲器是双向缓冲器，连接内外总线，用于传送CPU和8279之间的命令或数据，对应的引脚为数据总线D0D7。I/O控制线是CPU对8279进行控制的引线，对应的引脚为数据选择线A0、片选线、读、写信号线和。2）控制与定时寄存器及定时控制控制与定时寄存器用来寄存键盘及显示工作方式控制字，同时还用来寄存其它操作方式控制字。这些寄存器接收并锁存各种命令，再通过译码电路产生相应的信号，从而完成相应的控制功能。与其对应的引脚为时钟输入端CLK，复位端RESET。定时控制电路由N个基本计数器组成，其中，第一个计数器是一个可编程的N级计数器，N= 231之间的数，由软件编程，将外部时钟CLK分频得到内部所需的100KHz时钟，为键盘提供适当的扫描频率和显示扫描时间。与其相D关的引脚是显示熄灭控制端。 3）扫描计数器键盘和显示器共用，提供键盘和显示器的扫描信号。扫描计数器有两种工作方式，按编码方式工作时，计数器作二进制计数，4位计数状态从扫描线SL0SL3输出，经外部译码器译码后，为键盘和显示器提供扫描信号。按译码方式工作时，扫描计数器的最低二位被译码后，从SL0SL3输出，提供了4中选1的扫描译码。与其相关的引脚是扫描线SL0SL3。4）回复缓冲器、键盘去抖及控制在键盘工作方式中，回复线作为行列式键盘的列输入线，相应的列输入信号称为回复信号，由回复缓冲器缓冲并锁存。在逐行列扫描时，回复线用来搜寻每一行列中闭合的键，当某一键闭合时，去抖电路被置位，延时等待10ms后，再检查该键是否仍处在闭合状态，如不是闭合，则当作干扰信号不予理睬；如是闭合，则将该键的地址和附加的移位、控制状态一起形成键盘数据被送入8279内部的FIFO（先进先出）存储器。键盘数据格式如下： D7 D6 D5D4D3 D2D1D0控 制移 位扫 描回 复控制和移位（D6、D7）的状态由两个独立的附加开关决定，而扫描（D5、D4、D3）和回复（D2、D1、D0）则是被按键置位的数据。D5、D4、D3来自扫描计数器，它们是根据回复信号而确定的行/列编码。在传感器开关状态矩阵方式中，回复线的内容直接被送往相应的传感器RAM（即FIFO存储器。在选通输入方式工作时，回复线的内容在CNTL/STB线的脉冲上升沿被送如FIFO存储器。与其相关的引脚是回复线RL0RL7，控制/选通线CNTL/STB。5）FIFO/传感器及其状态寄存器FIFO/传感器RAM是一个双重功能的88RAM。在键盘选通工作方式时，它是FIFO存储器，其输入输出遵循先入先出的原则，此时，FIFO状态寄存器用来存放FIFO的工作状态。例如：RAM是满还是空，其中存有多少数据，操作是否出错等。当FIFO存储器中有数据时，状态逻辑将产生IRQ=1信号，向CPU申请中断。在传感器矩阵方式工作时，这个存储器用作传感器存储器，它存放着传感器矩阵中的每一个传感器状态。在此方式时中，若检索出传感器的变化，IRQ信号变为高电平，向CPU申请中断。与其相关的引脚是中断请求线IRQ。6）显示RAM和显示寄存器显示RAM用来存储显示数据，容量为168位。在显示过程中，存储的显示数据轮流从显示寄存器输出。显示寄存器分位A、B两组，OUTA0OUTA3和OUTB0OUTB3，它们即可单独送数，也可组成一个8位（A组为高4位，B组为低4位）的字。显示寄存器的输出与显示扫描配合，不断从显示RAM中读出显示数据，同时，轮流驱动被选中的显示器件，以达到多路复用的目的，使显示器件呈稳定显示状态。与其相关的引脚是数据显示线OUTA0OUTA3和OUTB0OUTB3。显示地址寄存器用来寄存由CPU进行读/写显示RAM的地址，它可以由命令设定，也可以设置成每次读出或写入后自动递增。3.3.1.2 8279的引脚和功能8279采用40引脚双列直插封装，其引脚排列及功能分别如图3.10（a）、（b）所示。其引脚功能如下：D0D7：数据总线，双向三态总线。CLK：系统时钟输入端。RESET：系统复位输入端，高电平有效，复位状态为：16个字符显示；编码扫描键盘双键锁定；程序时钟编程为31。：片选输入端，低电平有效。A0：数据选择输入端，A0=1时，CPU写入数据为命令字，读出状态字为状态字；A0=0时，CPU读、写均为数据。、：读、写信号输入端，低电平有效。IRQ：中断请求输出端，高电平有效。SL0SL3：扫描输出端，用于扫描键盘和显示器。可编程设定为编码（4中选1）或译码输出（16选1）。 （a） 引脚排列图 （b）引脚功能图图3.10 8279引脚及功能RL0RL7：回复线，它们是键盘或传感器的列信号输入端。SHIFT：移位信号输入端，高电平有效。它是8279键盘数据的次高位（D6），通常用作键盘上、下档功能键。在传感器和选通方式中，SHIFT无效。CNTL/STB：控制/选通输入端，高电平有效。在键盘工作方式时，它是键盘数据的最高位，通常用作控制键。在选通输入方式时，它的上升沿可把来自RL0RL7的数据存入FIFO/传感器RAM中。在传感器方式时，它无效。OUTA0OUTA3：A组显示信号输出端。OUTB0OUTB3：B组显示信号输出端。：显示熄灭输出端，低电平有效。它在数字切换显示或使用熄灭命令时关显示。3.3.1.3 8279的工作方式 8279工作方式的确定是通过CPU对8279送入命令字实现，当数据选择端A0置“1”时，CPU对8279写入的数据为命令字，读出的数据为状态字。在叙述命令字、状态字前须先说明8279的几种工作方式。1）键盘的工作方式通过对键盘/显示方式命令字的设置，可置为双键互锁方式和N键巡回方式。双键互锁双键锁定是为两键同时按下提供的保护方法。若有两键或多个键同时按下，则无论这些键是以什么次序按下的，它只识别最后一个释放的键，并把该键值送入FIFO/传感器RAM中。N键巡回N键巡回是为N个键同时按下时提供的保护方法。若有多个键同时按下时，键盘扫描能按按键先后顺序依次将键值送入FIFO/传感器RAM中。2）显示器工作方式通过对键盘/显示方式命令字和写显示RAM命令字的设置，显示数据写入显示缓冲器时可置为左端送入和右端送入两种方式。左端送入为依次填入方式，右端送入为移位方式。 3）传感器矩阵方式通过对读FIFO/传感器RAM命令字的设置可将8279设置成传感器矩阵工作方式，此时，传感器的开关状态直接送到传感器RAM。CPU对传感器阵列扫描时，如果检测到某个传感器状态发生变化时，则中断申请信号IRQ变为高电平。如果AI=0，则对传感器RAM的第一次读操作即清除IRQ；如果AI=1，则由中断结束命令清除IRQ。3.3.1.4 8279的命令格式和命令字8279共有8条命令，其格式及功能如下所述。1）键盘/显示方式设置命令字其命令格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0000DDKKK其中：D7、D6、D5为000，是方式设置命令特征位。DD（D4、D3）：设定显示方式，其定义如下：00：8个字符显示，左边输入01：16个字符显示，左边输入10：8个字符显示，右边输入11：16个字符显示，右边输入KKK（D2、D1、D0）：可设定7种键盘、显示工作方式，其定义如下： 000：编码扫描键盘，双键锁定 001：译码扫描键盘，双键锁定 010：编码扫描键盘，N键轮回 011：译码扫描键盘，N键轮回 100：编码扫描传感器矩阵 101：译码扫描传感器矩阵 110：选通输入，编码显示扫描 111：选通输入，译码显示扫描2）时钟编程命令其命令格式如下 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0001PPPPP其中：D7、D6、D5为001，是时钟编程命令特征位。PPPPP（D4、D3、D2、D1、D0）：设定对CLK输入端输入的外部时钟信号进行分频的分频数N，用以产生100KHz的内部时钟，N的取值为231。若CLK输入的时钟频率为2MHz则N=20，PPPPP=10100B。3）读FIFO/传感器RAM命令其命令格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0010AIAAA其中：D7、D6、D5为001，是读FIFO/传感器RAM命令特征位。AI（D4）为自动加1标志。AAA为FIFO/传感器RAM地址。键扫描方式时，读取数据按先进先出的原则读出，与AI、AAA无关，D0D4可为任意值，此时，该命令字可设为40H。在传感器或选通输入方式时，AAA为RAM地址。当AI=0时，每次读完传感器RAM的数据后地址不变；当AI=1时，每次读完传感器RAM的数据后地址自动加1。这样，下一个数据便从下一个地址读出，不必重新设置读FIFO/传感器RAM命令。4）读显示RAM命令其命令格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0011AIAAAA其中：D7、D6、D5为011，是读显示RAM命令特征位。AI（D4）为自动加1标志，AI=1时，每次读数后地址自动加1。AAAA（D3、D2、D1、D0）为显示RAM中的存储单元地址。5）写显示RAM命令其命令格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0100AIAAAA其中：D7、D6、D5为100，是写显示RAM命令特征位。AI（D4）为自动加1标志，AI=1时，每次写入数据后地址自动加1。AAAA（D3、D2、D1、D0）为将要写入的显示RAM中的存储单元地址。CPU将显示数据写入显示RAM还必须先设置键盘/显示方式设置命令字，若选择8个显示器并从左端输入，键盘设为双键锁定的编码键盘方式，则应设置键盘/显示方式设置命令字为00H。如每次写入数据后自动加1，且从0地址开始写入，则应设置写显示RAM命令为90H。如要输入10个字符，则其输入过程如表3.3所示（依次填入方式）。表3.3 左端送入的送数过程 RAM写入次数AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7第1次1 第2次12第8次12345678第9次92345678第10次910345678如将上述键盘/显示方式设置命令字设置为10H，则可实现从右端输入。其输入过程如表3.4所示（移位方式）。表3.4 右端送入的送数过程 RAM写入次数AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0第1次 1第2次1212第8次12345678第9次23456789第10次3456789106）显示禁止写入/消隐命令其命令格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0101IWAIWBBLABLB其中：D7、D6、D5为101，是显示禁止写入/熄灭命令的特征位。IWA、IWB（D3、D2）为A、B组显示RAM写入屏蔽位。因为显示寄存器分成A、B两组，可以单独送数，所以，用两位分别屏蔽。当IWA=1时，A组显示RAM禁止写入，此时，从CPU写入显示器RAM数据不影响A组显示器的显示，这种情况通常用于双4位显示器。IWB的用法与IWA相同，可屏蔽B组显示器。BLA、BLB（D1、D0）为A、B组的消隐设置位。BLA（或BLB）=1则对应组的显示输出熄灭；若BLA（或BLB）=0则恢复显示。7）清除命令其命令格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0110CDCDCDCFCA其中：D7、D6、D5为110，是清除命令的特征位。CDCDCD（D4、D3、D2）用来设定清除显示RAM方式，具体设置如表3.5所示。表3.5 CD位定义的消除CD （D4）CD（D3）CD（D2）清除方式10将显示RAM全部清0-10将显示RAM置为20H（A组=0010，B组=0000）11将显示RAM全部置为10不清除（若CA=1，D3、D2仍有效）CF（D1）用于清除FIFO存储器，CF=1清除FIFO状态，并使中断输出线复位；同时，传感器RAM的读出地址也被置0。CA（D0）为总清除特征位，兼有CD和CF的联合功能。CF=1时，清除显示器和FIFO的状态。8）结束中断/出错方式设置命令其命令格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0111E其中：D7、D6、D