采用C8051F020設(shè)計(jì)的嵌入式測(cè)試儀

　　0 引言

　　隨著測(cè)控技術(shù)的不斷發(fā)展，將嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用到測(cè)控領(lǐng)域，從而實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)試已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)，而且越來(lái)越多的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各種測(cè)試儀器的需求不斷增高，希望測(cè)試儀器能夠向在線實(shí)時(shí)測(cè)試方向發(fā)展?；谶@些需求，本文給出了基于C8051F020控制的測(cè)試儀鍵盤(pán)顯示部分的設(shè)計(jì)方案。在整個(gè)嵌入式測(cè)試系統(tǒng)中，本部分只是作為下位機(jī)，并通過(guò)RS485總線接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，從而將接收到的測(cè)試數(shù)據(jù)根據(jù)控制命令的要求在顯示器中予以顯示，同時(shí)將測(cè)試人員發(fā)送的各類(lèi)請(qǐng)求信號(hào)回送給上位機(jī)以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的硬件由MCU模塊(C8051F020)、電源模塊、顯示模塊(OCM320240K)、矩陣鍵盤(pán)模塊等四部分構(gòu)成，其系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。其中，本設(shè)計(jì)中外擴(kuò)的緩沖存儲(chǔ)器和FLASH存儲(chǔ)器。解決了高速數(shù)據(jù)接收與處理不匹配、字符庫(kù)容量小的問(wèn)題。

　　1.1 MCU模塊C8051F020

　　C8051F020是美國(guó)Cygnal公司推出的高性能單片機(jī)，是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，它的出現(xiàn)徹底改變了人們對(duì)8051單片機(jī)速度慢、性能低的印象。C8051F020使用了Cygnal專(zhuān)利的高速、流水線結(jié)構(gòu)以及與MCS-51指令集完全兼容的CIP-51微處理器內(nèi)核。CIP-51在提升8051速度上采取了新的途徑，該芯片在保持CISC結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的情況下，可對(duì)指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè)，從而廢除了機(jī)器周期的概念。它的指令以時(shí)鐘周期為運(yùn)行單位，平均每個(gè)時(shí)鐘周期可執(zhí)行1條單周期指令，從而大大提高了指令運(yùn)行速度，是一種功能比較齊全的高速、高性能單片機(jī)。

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用此款單片機(jī)作為測(cè)試儀的MCU的最主要原因，一方面是由于CIP-51與MCS-51指令完全兼容，可使用標(biāo)準(zhǔn)的8051的匯編器、編譯器及軟件包進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，同時(shí)也很方便使用人員進(jìn)行軟件移植；另一方面可充分利用其豐富的通用數(shù)字端口資源，而不用地址／數(shù)據(jù)線復(fù)用，其外圍電路的設(shè)計(jì)也可以大大簡(jiǎn)化。由于該芯片的低端口(P0、P1、P2、P3)既可按位尋址，也可按字節(jié)尋址，所以系統(tǒng)所需的控制信號(hào)都設(shè)計(jì)在低端口部分；而高端口(P4、P5、P6、P7)只能按字節(jié)尋址，故MCU與顯示模塊、存儲(chǔ)器等模塊的數(shù)據(jù)、地址總線均設(shè)計(jì)在高端口部分；C8051F020豐富的端口資源及其分配的靈活性是通過(guò)使用優(yōu)先權(quán)交叉開(kāi)關(guān)譯碼器實(shí)現(xiàn)的；而且所有引腳都采用5V電壓．并都可以配置為漏極開(kāi)路或推挽輸出方式和弱上拉。

　　1.2 液晶顯示模塊OCM320240K

　　人類(lèi)獲取信息有80％來(lái)自視覺(jué)，且各種信息最終都通過(guò)信息顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換。由于液晶顯示器件(LCD)具有低工作電壓，微功耗，使用CMOS電路直接驅(qū)動(dòng)，而且輕便易攜帶，因此，一經(jīng)出現(xiàn)就倍受青睞，自然成為智能儀表等產(chǎn)品的首選顯示器件。

　　本系統(tǒng)中的單片機(jī)對(duì)液晶模塊的控制采用間接控制方式。即不使用單片機(jī)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，而利用它的I／O口來(lái)實(shí)現(xiàn)與液晶模塊的聯(lián)系。設(shè)計(jì)時(shí)可將液晶模塊的數(shù)據(jù)總線與單片機(jī)的P1口進(jìn)行連接作為數(shù)據(jù)總線，另外三根時(shí)序控制信號(hào)線通常利用8051的P3口中未被使用的I／O口來(lái)控制。該訪問(wèn)方式不占用CPU的存儲(chǔ)器空間，它的接口電路與時(shí)序無(wú)關(guān)，其時(shí)序完全靠軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　圖形點(diǎn)陣式液晶顯模塊OCM320240K的PCB板上含有完整的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)(內(nèi)置SED1335液晶顯示控制器)，其接口系統(tǒng)則包含了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需的控制信號(hào)和電源。它的行、列驅(qū)動(dòng)器均采用KS0086，并由4個(gè)運(yùn)算放大器組成液晶顯示偏壓電路。點(diǎn)陣液晶顯示控制器SED1335通過(guò)其與單片機(jī)的接口及編程可實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示器的文字、圖形、菜單、翻頁(yè)和內(nèi)容的左右移動(dòng)等功能。對(duì)輸出到液晶顯示器件電極上的電位信號(hào)進(jìn)行相位、峰值、頻率等參數(shù)的調(diào)制可以建立交流驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)液晶顯示。

　　1.3 電源模塊

　　針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的便攜式嵌入式測(cè)試儀，可考慮采用直流電源供電。本系統(tǒng)所需的三個(gè)電源分別為+5 V、+3.3 V、-23 V。其中+3.3 V是給C8051F020芯片供電。-23 V是液晶顯示器所需的大負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)電源，+5 V是驅(qū)動(dòng)器和其它芯片的邏輯電源。電源模塊的設(shè)計(jì)采用外部雙電源供電，+8 V和-33 V直流電源經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路后可分別提供上述三種電壓。具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示，其中在+5 V和+3.3 V的電源接口中連接的LED燈可作為電源指示燈，燈亮表示電源接通。電路中的電容則用于電源的濾波。

　　1.4 矩陣鍵盤(pán)模塊

　　鍵盤(pán)模塊的設(shè)計(jì)采用中斷方式非編碼8×8矩陣鍵盤(pán)，為了節(jié)省功耗，設(shè)計(jì)中選用了上拉電阻。按鈕的行、列線分別接到MCU的P2、P3端口，INT0作為外部中斷連接到MCU的P0.2端口。按鍵包含有0～9數(shù)字鍵、菜單顯示的“確定”、“取消”、“上翻”、“下翻”等控制鍵及測(cè)試系統(tǒng)所需的其它基本功能鍵。

　　1.5 外部擴(kuò)展電路

　　本設(shè)計(jì)中的外擴(kuò)電路有兩部分：其一是外擴(kuò)了高速緩沖存儲(chǔ)器，由于該測(cè)試儀通過(guò)RS485總線從上位機(jī)接收的數(shù)據(jù)可能是高速數(shù)據(jù)，而高速的總線數(shù)據(jù)和顯示模塊的處理速度可能不匹配，因而必須考慮采用外部擴(kuò)展高速緩存來(lái)滿足顯示模塊中64 KB顯示RAM的要求也可將測(cè)試數(shù)據(jù)分屏顯示。本文選用128 KB的SRAM芯片STC62WV1024；其二是外擴(kuò)了一片F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器來(lái)為測(cè)試儀增加掉電保護(hù)功能，以便在突然斷電情況下不丟失測(cè)試數(shù)據(jù)。更主要的目的是，由于顯示模塊中自帶的用戶(hù)自定義字符庫(kù)CGRAM容量小，所以考慮將所建的國(guó)標(biāo)基本字庫(kù)存放在外擴(kuò)的FLASH中，由MCU根據(jù)用戶(hù)需要對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，同時(shí)不斷完成所需顯示字庫(kù)的調(diào)入調(diào)出操作。這樣既可滿足大容量字庫(kù)的要求，又能達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)度。本設(shè)計(jì)選用的是K9F2G08U芯片。

　　2 顯示模塊的軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 LCD初始化

　　液晶顯示器的顯示功能之所以強(qiáng)大，除了其本身具備一定的硬件顯示功能外，更重要的是通過(guò)軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種顯示功能，包括基本顯示和由基本顯示組合而成的擴(kuò)展功能顯示。但在使用之前，一般都必須根據(jù)液晶顯示模塊的特性選擇初始化參數(shù)，以對(duì)其進(jìn)行初始化，初始化流程如圖3所示，其具體的初始化代碼如下：

　　2.2 漢字顯示

　　SED1335通過(guò)字符代碼來(lái)確定字符庫(kù)中字符首地址，并將相應(yīng)的字模數(shù)據(jù)送到液晶顯示模塊。在液晶屏上出現(xiàn)該字符的16×16點(diǎn)陣塊實(shí)際上就是文本顯示RAM中的一個(gè)字節(jié)所對(duì)應(yīng)的顯示屏上的16×16點(diǎn)陣。通過(guò)SED1335顯示存儲(chǔ)器內(nèi)用戶(hù)自定義的字符庫(kù)CGRAM。用戶(hù)可在相應(yīng)的單元寫(xiě)入相應(yīng)的字符代碼，然后通過(guò)對(duì)子程序的調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)漢字顯示，下面是顯示漢字“歡迎使用”的部分程序代碼：

　　由于CGRAM容量有限，故可考慮將用戶(hù)自定義的國(guó)標(biāo)基本字符庫(kù)放在外擴(kuò)的FLASH中，然后由MCU根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)類(lèi)型和用戶(hù)需求不停地從FLASH字庫(kù)中動(dòng)態(tài)調(diào)入所需字庫(kù)并暫存在CGRAM中。通過(guò)顯示模塊自定義字庫(kù)的擴(kuò)展，可使OCM320240K的顯示功能更加完善和強(qiáng)大。從而更適合于各種領(lǐng)域的顯示。

　　2.3 菜單顯示

　　液晶模塊的菜單顯示設(shè)計(jì)應(yīng)盡量與普通微機(jī)上的菜單結(jié)構(gòu)保持一致(即呈樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))，以適應(yīng)操作人員的操作習(xí)慣。本設(shè)計(jì)中的菜單顯示是在鍵盤(pán)的配合下實(shí)現(xiàn)的。為了簡(jiǎn)化操作，鍵盤(pán)中與菜單顯示有關(guān)的控制鍵一般只設(shè)置“確定”、“取消”、“上翻”、“下翻”等基本功能，通過(guò)這幾個(gè)按鍵即可操作菜單顯示程序和命令執(zhí)行程序，其鍵盤(pán)響應(yīng)及菜單顯示流程如圖4所示。操作時(shí)，按下“確定”鍵，屏幕將顯示下一級(jí)菜單；而按下“上翻”、“下翻”鍵，閃爍光標(biāo)將在同一級(jí)菜單的各個(gè)菜單項(xiàng)間移動(dòng)，以表示當(dāng)前選中的菜單。對(duì)各級(jí)菜單進(jìn)行編號(hào)時(shí)，可以設(shè)置兩個(gè)變量mn、ln來(lái)分別表示當(dāng)前的菜單號(hào)和光標(biāo)所在的行(第一行為0，以此類(lèi)推)。在程序初始化時(shí)，mn=0、ln=0；用“確定”鍵可則可改變菜單編號(hào)(mn=mn×2+ln)，“取消”鍵改變菜單編號(hào)(mn=[mn／2])，“上翻”、“下翻”鍵可改變光標(biāo)位置(ln=ln±1)。如12號(hào)菜單就是5號(hào)菜單光標(biāo)位置處于第三行(ln=2)時(shí)按“確定”鍵得到的，其編號(hào)為5×2+2=12。確定菜單編號(hào)和光標(biāo)位置后，再調(diào)用顯示程序(或函數(shù)執(zhí)行程序)即可顯示新一級(jí)菜單并重新設(shè)置光標(biāo)位置。其例程代碼如下：

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　在完成了軟硬件設(shè)計(jì)之后，即可對(duì)于本設(shè)計(jì)的電路板進(jìn)行調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)其顯示功能。目前，本系統(tǒng)與上位機(jī)的級(jí)聯(lián)調(diào)試還在進(jìn)行之中。此外，考慮到觸摸屏使用的日益廣泛，本系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)中還考慮了與帶觸摸屏控制器(ADS7843)的顯示模塊DV320240F的接口，以便于今后根據(jù)需要增加觸摸功能。