EC16编码器设计应用案例

EC16EC16EC16EC16编码器设计应用案例编码器设计应用案例 摘要：介绍了一种基于单片机的智能仪器前面板的设计及实现方法。根据数字旋钮的特点，在硬件上设计 了鉴相电路检测旋钮的正旋和反旋， 巧妙地将旋钮扫描和按键扫描统一起来，以 Philip 低成本的 Flash 型单 片机 P89LPC922 作为处理芯片，运用了定时中断、状态机、软件去抖、RS-232 接口协议等方法实现软件 设计，提高按键和旋钮的抗干扰能力，并介绍了用自定义的通信协议计算旋钮转动量和减少主机负担。具 有良好的通用性，适用于短周期、低成本的按键和旋钮混合面板设计，并已成功地应用于数字存储大功率 半导体管特性曲线图示仪。 关键词：单片机；智能仪器；面板；数字旋钮；鉴相电路 引言：引言： 许多仪器的前面板通常是由诸多的旋钮、按键组成的混合界面。传统的仪器前面板上通常有两种旋钮， 一种是电位器，用于调节连续变化的量；另一种是档位开关，用于调节间隔变化的量。它们嵌入在测量电 路中，可以直接改变仪器的参数和设置。而在现代智能仪器1中，这两类调节均可以通过数字旋钮由微控 制器将用户操作的变化量反馈给仪器的主处理器，再由主处理器改变仪器的参数和设置。所以，智能仪器 上的数字旋钮和传统仪器上的旋钮在原理和处理方法上有很大不同。为了节省成本，面板处理往往采用体 积小、性价比高的单片机（MCU）。运用单片机不但经济灵活，并可充分利用 MCU 逻辑处理的优势，大 大简化外围连线，对旋钮按键混合控制系统2的处理尤为突出。 设计采用 LPC900 系列的 P89LPC922Flash 单片机来实现软件处理。P89LPC922采用高性能的处理器结构， 6 倍于标准 80C51 器件的速率， 并自带波特率发生器。 充分考虑单片机的资源和处理速度， 分模块设计 按钮电路，旋钮电路，串口电路，扫描电路。用 protel 完成电路原理图，制作电路板，在 KeilC 环境下编 写软件。软件和硬件相结合，协同实现整个面板。 1 1 1 1 硬件设计及原理硬件设计及原理 1 1 1 11 1 1 1 旋钮电路设计旋钮电路设计 1 1 1 11 1 1 11 1 1 1 数字旋钮的工作原理数字旋钮的工作原理 本设计选用常见的编码器 EC16 系列作为数字旋钮，如图 1。4、5 脚供固定之用，3 脚接 VCC（+5V），1、 2 脚在转动时输出连续脉冲。这种旋钮只有两种操作，即正旋和反旋。通过示波器可以观察到如图所示的 旋钮转动时 1、2 脚的波形。 每次转动 1、2 脚都会产生脉冲信号，正旋时 1 脚先变高，反旋时 2 脚先变高。也就是说，正旋和反旋输出 信号的相位不同，只要检测出相位，就可以识别正旋和反旋。 1 1 1 11 1 1 12 2 2 2 鉴相电路设计鉴相电路设计 本文设计的鉴相电路见图 2，附箭头所指数字标号对应的波形（以正旋为例）。旋钮的 1、2 脚分别与 D 触 发器的 D 端和 CLK 端连接，根据上面所述旋钮的工作原理，正旋时 1 脚（D）先变高，2 脚（CLK）上升 沿时 Q 端输出 1，反旋转时输出 0， 端则相反。因此根据 Q、 输出为 10 还是 01 就可以判断出转动方向。 但是，如果继续正旋，Q、 将维持现状（图 2 中的），因此还必须检测脉冲个数来反映转动量。这时 不用考虑 1、2 脚的相位，可将 2 个信号相与产生新的信号（图 2 中的），可利用该信号分别和 Q、 相 与即可分辨出每次旋钮的转动。 最后的输出为和，正旋时线有脉冲，线一直为低，反旋则两根线相反。至此完成了鉴相，下面要 解决如何与单片机接口的问题。 1 1 1 12 2 2 2 扫描电路设计扫描电路设计 用户操作面板时，为了能及时准确地识别哪个按钮和哪个旋钮动作，将按钮和旋钮统一扫描和编码，发送 给主机。综合按钮和旋钮特点，根据实际需要采用了 88 的矩阵式键盘结构3，前 4 行为按钮，后 4 行为 旋钮。以列信号为扫描输出信号，行信号为检测输入信号。 扫描电路的核心是单片机。一般扫描电路用一个 I/O 口输出扫描信号，另一个 I/O 口读入检测信号。 P89LPC922 只有两组 I/O 双向口：P0口和 P1 口。P1 口需要定义一些读写控制信号，所以只用一个 P0口 输出扫描信号及输入检测信号，这样 P0 口就存在读写控制和时序问题。既要输出列值又要读入行值，必须 要有数据锁存器和缓冲器之类的芯片配合完成。设计时采用了数据锁存器 74ALS373 和总线接收/发送器 74ALS245。单片机的引脚 P1.4 控制 74ALS245 的输出使能端，如图 3 中的；P1.7 控制 74ALS373 的数据 锁存端，如图 3 中的；P1.3 控制 74ALS245 的数据传送方向，如图 3 中的（这里为恒为低，从 245 到 单片机的 P0 口）。 扫描电路的工作原理是：单片机先让为高，使 74ALS245 输出为高阻态，然后从 P0口输出列扫描数据， 再给高电平，延时后将变低，使 74ALS373 锁存列扫描信号，将变低使 74ALS245 输出有效，由于 数据方向恒定，这样行值数据就从 245 输入到单片机的 P0 口。 为了将按钮和旋钮的扫描统一起来，我们把正旋和反旋当做不同的两个按钮按下，旋钮的正旋或反旋也对 应唯一的行值和列值。这里的巧妙之处就是采用了三态缓冲器 74LS240，每个旋钮电路的输出信号和 （即前面图 2 鉴相电路输出）分别接到 74LS240 的两组输入端，两组数据的输出都接到 4 根行线，由列扫 描线控制输出哪一组数据。比如：扫描第二列，对应那组输出到 4 根行线供单片机读入，此时对应那 组的输出被禁止。若第二列有旋钮正旋，则其对应的上有脉冲，经 240 反相后，单片机检测到低电平数 据， 与按钮按下的情况一致。 图3中只用了一片74LS240， 可以接4个旋钮， 这个电路可以扩充到四片74LS240 接 16 个旋钮。 1 1 1 13 3 3 3 与主机通信电路设计与主机通信电路设计 用串口与 PC 机通信要用串口连线，我们将其 3、5 脚引出，通过一片 MAX232，即可与单片机的串口连接， 其电路相对简单，这里不多做叙述了。外部晶振频率选用高频晶振 12MHZ，用 922 自带的波特率发生器， 设置波特率为 9600，每个字节发送时间约 1ms，可以满足高速率和准确性的要求。波特率太低影响速度， 太高影响串口数据传输的正确性。 2 2 2 2 软件实现软件实现 2 2 2 2 1 1 1 1 按键的抗干扰处理按键的抗干扰处理 通常当按键按下以后（不考虑人的操作因素），会有一个 5-10ms 的抖动期，用软件延时来进行去抖处理。 当按键释放后才向主机发送数据，具体方法是用状态机，将按键过程分成以下几个状态S0S4，如图 4 所 示： 没有按钮动作时，检测线都为高电平，保持在 S0 状态；扫描面板，当某个按钮按下（相应检测线为低电平） 进入 S1 状态；完成去抖延时（T0 中断 20 次）后进入 S2 状态，再次扫描面板，检测到低电平且为同一个 按钮（行、列线相同）进入 S3 状态，没有检测到低电平或者不为同一个按钮则再次进入 S0 状态；按钮释 放后进入 S4 状态，给主机发送按钮编号，发送完成进入 S0 状态。 2 2 2 22 2 2 2 旋钮的抗干扰处理旋钮的抗干扰处理 与档位开关一样，旋钮转动一周会有若干停顿点。停顿点较少的旋钮24在停止转动时 1、2 脚总会处于一 个稳定的低电平。而停顿点较多的旋钮在停止转动时则电平状态不定，1、2 脚有可能处于高电平也可能处 于低电平（如图 1），所以不可用与之类似的任何检测电平状态的方法来判断旋钮的转动。 用示波器分析波形后得知，不管 1、2 脚最终状态如何，只要转动旋钮就会有电平变化，从高到低，或从低 到高，所以选用动态的边沿扫描。除了在刚上电的时候需要扫描获得每个旋钮的初始状态，每过一段时间 都要定时扫描旋钮状态，一旦有电平变化（上升沿/下降沿），就认为是一次有效的转动。定时的时间确定 为 1ms5，因为即使很快转动旋钮的情况下，每次脉冲高电平宽度一般都有十几到几十毫秒。在设计时可 用 1 个字的位向量 pre_knob 和 cur_knob 分别保存最近的两次扫描结果， 每位对应一个旋钮。低电平时相应 位置 1，高电平置 0，用下降沿判断（即 10 时）认为对应位的旋钮有转动。 2 2 2 23 3 3 3 旋钮转动量的计算旋钮转动量的计算 旋钮转动量的计算方法也是本文讨论的一个重点。旋钮转动的时候，可以转动一个停顿点就发一次，但会 增加通信量和主机的处理负担，而且单片机的任务非常单一，即检测前面板的动作，资源利用也不多，因 此可以用单片机计算出旋钮转动量后一起发送给主机。 方法是：给每个旋钮配置 1 个字节的发送缓冲保存转动量。每当旋钮转动一个停顿点，单片机就检测发送 缓冲是否为空，不为空则将缓冲中的转动量加 1，若为空则发送旋钮编号给主机，等待主机响应，此时旋 钮继续转动，转动量不断增加，主机响应后再将发送缓冲里的转动量发送给主机，发送完成后清空缓冲。 3 3 3 3 结论结