便攜式功率分析儀設(shè)計----鍵盤設(shè)計與校準(zhǔn)、調(diào)試與測試

鍵盤操作

一般的測量儀器都可通過按鍵輸入命令對儀器進(jìn)行測量，按鍵的種類很多，從機械結(jié)構(gòu)來分有機械接觸式的，導(dǎo)電橡膠的等，但無論何種按鍵都具有一個最基本的特性，那就是能實現(xiàn)觸點的通和斷，然后通過電路實現(xiàn)電氣上的邏輯通和斷，從而實現(xiàn)功能的控制，在現(xiàn)代電子測量儀器中一個按鍵能表示一個使儀器完成某種操作的命令，也可用幾個按鍵組合完成一個特定的命令，還能用一個按鍵在不同的狀態(tài)下表示不同的命令，但一般每個按鍵都有其唯一的代碼。CPU通過讀代碼來識別按鍵進(jìn)行處理，按鍵的排列一般都是矩陣形式，每一個按鍵都有唯一的行、列位置，所以CPU通過確定按鍵的行列來確定按鍵的位置，鍵盤與CPU的連接方式有兩種，一種是利用中斷，當(dāng)有鍵按下時，按鍵閉合，鍵盤板產(chǎn)生一個中斷信號，CPU轉(zhuǎn)入鍵盤處理程序，另一種就是利用查詢法，定時讀回鍵盤列信號，判斷是否有鍵按下，如果有，則轉(zhuǎn)入鍵盤處理程序，如果沒有，則執(zhí)行其他命令。

鍵盤掃描控制

當(dāng)鍵盤數(shù)目較多時，為了節(jié)省單片機的接口資源，應(yīng)該采用矩陣式鍵盤，其行線上的電平由鍵盤接口的掃描輸出控制，行線上按一定的順序依次出現(xiàn)低電平，在沒有鍵按下時，各列線均被上拉電阻拉為高電平，并且在任意時刻只有一跟行線出現(xiàn)低電平。若有某鍵按下，它所在的列將會被拉成低電平。在鍵盤掃描和鍵盤讀入高速同步進(jìn)行的情況下，相對速度較慢的按鍵動作總是可以被捕捉到的。鍵盤接口可采用普通的帶選通的邏輯電路芯片，鍵盤的掃描操作不應(yīng)該安排在非中斷的常規(guī)程序中，因為那樣將影響主程序的運行速度，解決的方法之一就是將鍵盤掃描程序作為獨立的一塊，僅在主程序產(chǎn)生中斷時調(diào)用，二是選用在鍵盤按下時會產(chǎn)生中斷的芯片。

在實際設(shè)計中我們采用了非編碼鍵盤，使用逐行掃描方式進(jìn)行鍵盤掃描。逐行掃描法的實現(xiàn)方法是：通過執(zhí)行鍵盤掃描程序?qū)︽I盤矩陣進(jìn)行掃描，以識別按鍵的行、列位置。程序查詢的步驟如下：

1）查詢是否有鍵按下。

首先由CPU對行線的各位置“0”，然后CPU再從列線讀入數(shù)據(jù)。若讀入的數(shù)據(jù)為全“1”，表示無鍵按下；只要讀入的數(shù)據(jù)中有一位不為“1”，表示有鍵按下，接著查按鍵的位置。

2）查詢已按下鍵的位置。

a.查詢已按下的鍵在哪一列。哪一位列線為“0”，表示被按下的鍵就肯定在這一列中。

b.查詢已按下的鍵在哪一行。需要逐行進(jìn)行掃描。CPU首先使X0=0，X1～X7為全“1”，讀入Y0～Y7，若為全“1”，表示按鍵不在這一行；接著使X1=0，其余各位為全“1”，讀入Y0～Y7，……，直至Y0～Y7不為全“1”為止。

3）按行號和列號求鍵的位置碼。

得到的行號和列號表示按下鍵的位置碼。若該鍵是字符鍵，則根據(jù)這個鍵碼到專用的ROM中取出此鍵的ASCII碼；若該鍵是功能鍵，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的服務(wù)子程序，完成其功能操作。

任何機械式按鍵，在斷開和閉合時均會因碰撞的彈跳而造成機械抖動，這種抖動在電氣上產(chǎn)生時斷時續(xù)的信號，使得高速的電子邏輯電路出現(xiàn)錯誤的結(jié)果，針對這種抖動現(xiàn)象，可以采用兩種消除方法，一種是在軟件中安排消抖算法，軟件方法就是在判斷有鍵按下后，軟件延遲一段時間再判斷鍵盤狀態(tài)，否則認(rèn)為是按鍵抖動，重新進(jìn)行掃描。二是采用硬件消抖電路，硬件方法就是給列信號線上加一個低通濾波器，消除按鍵過程中的尖峰抖動。在本系統(tǒng)設(shè)計過程中的消除抖動采用軟件延遲法，利用定時器DelayNS（）完成延遲判斷，從而達(dá)到消抖的目的。

除了按鍵以外，一般的測量儀器鍵盤上還有旋鈕。旋鈕與按鍵不同，對旋鈕而言是要能表示兩種動作：左旋、右旋。而在旋鈕靜止?fàn)顟B(tài)，旋鈕所占用的信號線既可能導(dǎo)通又可能截止。所以在矩陣式鍵盤上對旋鈕動作的識別不同：首先行線上按一定的順序依次出現(xiàn)低電平，若旋鈕無動作時，旋鈕所占用的兩條列線的狀態(tài)不變，若旋鈕有動作時，旋鈕所占用的兩條列線的狀態(tài)會連續(xù)變化，且變化規(guī)律類似于：00->01->11->10->00或00->10->11->01->00.由此可判斷出是哪個旋鈕動作和旋鈕的旋轉(zhuǎn)方向。對旋鈕，機械抖動問題很小。

4.5.2鍵盤接口

在本系統(tǒng)設(shè)計中，由于串口通訊中要求發(fā)送和接受雙方必須遵守數(shù)據(jù)格式和時間限制等方面的統(tǒng)一規(guī)定，這樣才能保證正常進(jìn)行。這使得串口通訊方式控制起來略顯煩瑣，為使鍵盤掃描控制更加簡單，鍵盤的硬件接口沒有使用ARM的串口，其鍵盤通訊以外接4×4鍵盤為例，我們是直接利用ARM的P1.16～P1.23口的第一功能標(biāo)準(zhǔn)I/O口，分為行變量LINE[]、列變量COLUMN[]來實現(xiàn)鍵盤操作控制的，這樣進(jìn)行如前文所述的逐行掃描法時，將十分直觀和簡便。

第五章校準(zhǔn)、調(diào)試與測試

任何計量器具由于種種原因都具有不同程度的誤差計量器具的誤差，只在允許的范圍內(nèi)才能應(yīng)用，否則將帶來錯誤的計量結(jié)果。對于新制的或修理后的計量器具必須用適當(dāng)?shù)燃壍挠嬃繕?biāo)準(zhǔn)來確定其計量特性是否合格，對于使用中的計量器具必須用適當(dāng)?shù)燃壍挠嬃繕?biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行周期檢定，另外有些計量器具必須借助適當(dāng)?shù)燃壍挠嬃繕?biāo)準(zhǔn)來確定其示值和其它計量性能，因此量值傳遞的必要性是顯而易見的。

5.1常用儀器校準(zhǔn)方法

微波功率量值傳遞的關(guān)鍵是減小失配誤差。功率的量值傳遞方法大致可分為四類：

①交替連接比較法：把標(biāo)準(zhǔn)功率計和被校功率計交替接到穩(wěn)定的信號源上進(jìn)行校準(zhǔn)。這種方法的誤差較大，但簡單易行，在準(zhǔn)確度要求不高的情況下廣泛使用。

②單定向耦合器直接比較法：利用定向耦合器-功率檢波器組合，提供一個穩(wěn)幅的低反射系數(shù)的等效信號源（圖2）。當(dāng)采用調(diào)配措施后，可使等效信號源的反射系數(shù)小于0.005，減小失配誤差，然后用功率標(biāo)準(zhǔn)對其校準(zhǔn)，確定校準(zhǔn)系數(shù)后可作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，用來單獨校準(zhǔn)其他功率計。

③調(diào)配反射計法：為了有效地消除失配誤差、提高功率測量和量值傳遞的準(zhǔn)確度，1960年開始采用反射計法進(jìn)行功率量值傳遞，利用調(diào)配反射計技術(shù)，有效地將入射波與反射波分開以消除失配誤差。但這種方法復(fù)雜，技術(shù)要求很高。

④功率方程法：1969年G.F.恩金提出一種描述和計算微波系統(tǒng)的“功率方程概念”，用傳輸?shù)膬艄β蔬@一基本實數(shù)參量替代電路理論中的復(fù)數(shù)行波波幅來分析和計算微波系統(tǒng)，放寬了對均勻波導(dǎo)，特別是對精密同軸接頭的要求，對失配誤差的修正提出了一個確定解，克服了電路理論只能估計失配誤差極限的缺點。功率方程法采用廣義反射計技術(shù)的校準(zhǔn)系統(tǒng)（圖3）。它測量兩個實數(shù)的失配因子，對失配誤差進(jìn)行精確修正，測量準(zhǔn)確度可達(dá)到±0.2％。在實際校準(zhǔn)測試過程中，我們選用的設(shè)計方法較為簡單的單定向耦合器直接比較法進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，從而生成校準(zhǔn)參數(shù)。

5.2校準(zhǔn)調(diào)試功率校準(zhǔn)

主要針對A/D采樣值與實際功率值間的轉(zhuǎn)換關(guān)系和功率的頻響誤差進(jìn)行。通過功率測量過程，我們將校準(zhǔn)主要分為以下4個部分：通道校準(zhǔn)、功率測量校準(zhǔn)、頻率測量校準(zhǔn)、功率頻響校準(zhǔn)。

5.2.1通道校準(zhǔn)

我們在計算功率值時，是利用的A/D采樣得到的十六進(jìn)制表示的電壓值，為了獲得實際射頻信號經(jīng)過檢波模塊輸出電壓值，就必須通過此時A/D采樣得到的電壓和實際電壓的對應(yīng)關(guān)系擬合出實際電壓值和A/D前端電壓值的曲線。由于在通道設(shè)計上我們在A/D之前加入AD8369（可變增益放大器）實現(xiàn)3 dB步長的數(shù)字增益調(diào)節(jié)，所以擬合曲線根據(jù)不同衰減擋位進(jìn)行擬合。