分析了8096系列中的80196單片機(jī)在電力系統(tǒng)配電變壓器智能檢測終端設(shè)備中的人機(jī)交互界面接口應(yīng)用問題，通過實(shí)例詳細(xì)介紹了該類單片機(jī)與觸摸屏芯片的軟、硬件接口的應(yīng)用技巧，分析了其工作特性，指出在應(yīng)用中需注意的問題，并給出了觸摸芯片的部分程序。
隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，人類對(duì)文明生活需求的進(jìn)步，帶來對(duì)電能的需求越來越高，也帶來了對(duì)電力系統(tǒng)的設(shè)備有更高的要求，由此電力系統(tǒng)配電變壓器的功能及檢測設(shè)備受到各方面的密切關(guān)注。在市場上各種各樣的電力檢測設(shè)備不斷翻新，其功能也向?qū)嵱眯浴⒏呖萍夹苑较虬l(fā)展，但配電變壓器具有觸摸方式的人機(jī)友好界面功能及檢測的設(shè)備很少有報(bào)道，為此，在經(jīng)過多方面的調(diào)研，我們提出研制使用觸摸方式、具有GPRS無線通信功能的配電變壓器智能檢測設(shè)備的任務(wù)。該設(shè)備在滿足配電功能要求的前提下，采用觸摸顯示方式提高檢測設(shè)備的可操作性，使用GPRS無線通信提高設(shè)備的先進(jìn)性、滿足現(xiàn)代信息社會(huì)的管理需求，使其具有一定獨(dú)特優(yōu)勢，能夠占領(lǐng)一定的市場領(lǐng)域。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的核心是采用先進(jìn)的INTEL96 系列16 位單片機(jī)80196，配以液晶顯示觸摸屏、大規(guī)模門陣列邏輯集成電路xilinx95144， 通過串口驅(qū)動(dòng)電路MAX232外接GPRS模塊等，組成結(jié)構(gòu)簡單、功能完整、擴(kuò)充性強(qiáng)、布局合理，使用芯片少，體積小，具有高可靠性和保密特性的設(shè)備系統(tǒng)，原理圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)原理圖
1. 1 各功能模塊主要作用
（ 1） CPU80196在系統(tǒng)中主要承擔(dān)著控制中心及16位數(shù)據(jù)的算術(shù)、邏輯運(yùn)算的任務(wù)，該單片機(jī)具有豐富的軟硬件資源及運(yùn)行速度快的指令系統(tǒng)，非常適合于電力系統(tǒng)的儀表設(shè)計(jì)。
（ 2）大規(guī)模邏輯電路芯片X ilinx95144主要完成： 地址鎖存、數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)、控制信號(hào)總線驅(qū)動(dòng)及邏輯電平轉(zhuǎn)換、片選信號(hào)發(fā)生等，它有144個(gè)宏單元3200 個(gè)邏輯門， 100個(gè)管腳，81數(shù)據(jù)輸入輸出腳， 4個(gè)在線編程腳，可以完成10000次的在線編程。
（ 3） MAX232串口驅(qū)動(dòng)：完成串口電平TTL至RS232轉(zhuǎn)換功能。
（ 4） GPRS模塊：是一種新型的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，在移動(dòng)用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動(dòng)用戶提供高速無線IP服務(wù)。它采用完全透明數(shù)據(jù)傳輸，永遠(yuǎn)在線，按流量計(jì)費(fèi)，克服了通訊距離短，性能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)全國無縫覆蓋，特別適用于無人看守的區(qū)域。
（ 5） 27512EPROM 程序存儲(chǔ)器， 提供64KByte 的程序存儲(chǔ)空間，主要是存放系統(tǒng)程序。
（ 6） 62256靜態(tài)RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，提供64KBy te的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，主要是存放采集的數(shù)據(jù)，自帶電池，可以保證數(shù)據(jù)在掉電的情況下不丟失。
（ 7） DS1302日歷芯片可以根據(jù)設(shè)置自動(dòng)完成年月日時(shí)\份秒的計(jì)算，并可以實(shí)現(xiàn)鬧鐘，它主要使系統(tǒng)能夠定時(shí)采集數(shù)據(jù)。
（ 8） CAN屬于總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)， 具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力， 支持差分收發(fā)， 因而適合高噪聲環(huán)境， 而且傳輸距離比較遠(yuǎn)。在系統(tǒng)中我們采用了SJA1000 芯片， 通過正確連接和設(shè)置的，達(dá)到CAN 總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能的自動(dòng)完成。
（ 9）開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路：主要是提供給各種開關(guān)電源、交直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電壓與電流。在系統(tǒng)中我們采用數(shù)字電路與模擬電路的結(jié)合完成。
（ 10）液晶顯示與觸摸屏：提供人機(jī)交互友好界面，我們選擇了臺(tái)灣AM PIRE 公司產(chǎn)DG - 32240 - 27 - SNCW -HCDTC液晶顯示觸摸屏， 具有320 ？？ 240顯示象素點(diǎn)， 160 ×110mm 觸摸大小， 其顯示部分控制芯片是SED1335， 觸摸部分控制芯片是ADS7843。
1. 2 系統(tǒng)調(diào)試
在系統(tǒng)的調(diào)試中，一切功能與電氣指標(biāo)都能達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的要求，但幾次出現(xiàn)觸摸屏與單片機(jī)之間指令不執(zhí)行，甚至燒壞了觸摸屏中的芯片ADS7843的問題。
2 硬件設(shè)計(jì)分析
根據(jù)硬件連接，使用的單片機(jī)P3、P4口通過X ilinx95144與液晶顯示相連， 觸摸屏與單片機(jī)P1口直接連接，三者工作電壓均為廠商推薦典型值5V。
2. 1 80196KB單片機(jī)結(jié)構(gòu)
80196KB 是INTEL公司繼8位單片機(jī)以后推出的16 位單片機(jī)MCS_96 系列的產(chǎn)品之一，它與8位單片機(jī)相比提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，與現(xiàn)在的32位相比是真正意義上的單片機(jī)，特別適用于各類自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用普林斯頓（ Pr inceton ）體系結(jié)構(gòu)， 又稱馮。諾曼（ Von Neumann） 結(jié)構(gòu)。具有程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合二為一的特點(diǎn)。它的P0口只能用于輸入， P1口是一個(gè)準(zhǔn)雙向口， P2 口是一個(gè)多功能口， P3、P4口是雙向口可作為系統(tǒng)總線。
在本系統(tǒng)的電路中，采用P1口與觸摸屏接口打交道， P1口內(nèi)部管腳結(jié)構(gòu)如圖2 所示。P1口是一個(gè)準(zhǔn)雙向I/O口，它由輸出緩沖器、內(nèi)部口鎖存器、內(nèi)部口寄存器和輸出緩沖器構(gòu)成，與MCS51的準(zhǔn)雙向口相同，內(nèi)部具有上拉電阻結(jié)構(gòu)。如圖2所示，上拉作用由三個(gè)FET管產(chǎn)生，其中p1是強(qiáng)上拉， p3由于高阻存在為弱上拉， p2為更弱上拉， n是低阻下拉FET.
圖2 準(zhǔn)雙向口P1內(nèi)部結(jié)構(gòu)
當(dāng)復(fù)位時(shí)，P1口呈現(xiàn)微弱上拉。當(dāng)用作輸入輸出功能，其原理是：“輸入”： P1口輸入數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)際上是輸入到P1口寄存器中，由寄存器去驅(qū)動(dòng)管腳，圖二上/Q 即為寄存器的輸出， CPU 讀數(shù)據(jù)時(shí)是直接讀管腳。因此在讀數(shù)據(jù)時(shí)要保證P1口為輸入狀態(tài)，應(yīng)先對(duì)P1口寄存器SFR置位，此時(shí)n截止。切記當(dāng)端口用作輸入口時(shí)，決不能向該口寫數(shù)據(jù)“0”。“ 輸出”：在此狀態(tài)下，當(dāng)指令對(duì)P1. x口的I/O口寄存器輸入數(shù)據(jù)是“0”時(shí)，內(nèi)部寄存器的/Q輸出會(huì)打開下拉FET即n，而關(guān)閉全部上拉FET即p1、p2、p3，這時(shí)對(duì)應(yīng)輸出腳電平PORT PIN 為“0”; 當(dāng)指令對(duì)P1口的某一個(gè)I /O口寄存器輸入數(shù)據(jù)是“1”時(shí)，內(nèi)部寄存器的/Q輸出會(huì)關(guān)閉n，打開p1、p2、p3，這時(shí)對(duì)應(yīng)輸出腳電平PORT PIN 為 “1”，即輸出是一個(gè)編程直接“寫”的過程。
2. 2 X ilinx95144
是一款高品質(zhì)的Comp lex Prog ramm able Logic Device 復(fù)雜的可編程邏輯器件（ CPLD）， 典型工作電壓為3. 3- 5V，支持ISP即在線編程功能，編程次數(shù)可達(dá)上萬次，管腳到管腳信號(hào)延遲7. 5ns，工作頻率可達(dá)111MH z，內(nèi)部有144個(gè)宏單元均是ROM 結(jié)構(gòu)，掉電后內(nèi)部的邏輯數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。每個(gè)I /O管腳在輸出狀態(tài)下：高電平時(shí)典型值- 4mA，低電平典型值24mA; 每個(gè)I /O管腳在輸入狀態(tài)下：高、低電平時(shí)均為uA級(jí)。因此輸出電氣特性：在通常的TTL電平芯片電路中、外接驅(qū)動(dòng)不多的情況下，可以不使用上拉電阻；輸入電氣特性：
一般的集成芯片都可以直接與其相連，不會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力不夠現(xiàn)象，更不會(huì)出現(xiàn)損壞。
2. 3 觸摸顯示屏
顯示部分的控制芯片是SED1335，是日本EPSON 公司生產(chǎn)的一款液晶顯示屏專用控制器， 與同類產(chǎn)品相比功能最強(qiáng)。其特點(diǎn)主要是：有較強(qiáng)功能的I /O 緩沖器；指令功能豐富； 4位數(shù)據(jù)并行發(fā)送；圖形和文本方式混合顯示。觸摸部分的控制芯片是模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器ADS7843，是美國T i公司生產(chǎn)的具有同步串行接口的8 位、12位數(shù)據(jù)輸出，四線電阻觸摸屏模數(shù)轉(zhuǎn)換接口芯片。它通過標(biāo)準(zhǔn)SPI協(xié)議和CPU 通信； 精度高，當(dāng)使用12位時(shí)精度達(dá)到0. 04mm，可以達(dá)到X， Y 方向上的1/256， 1 /4096精度；最大可接受電流？ 50mA，典型值為數(shù)uA; 工作電壓為- 0. 3- + 6V; 工作時(shí)鐘典型值2MH z即數(shù)量級(jí)是uS; 當(dāng)觸摸屏被按下時(shí)（即有觸摸事件發(fā)生），ADS7843會(huì)發(fā)出中斷請(qǐng)求。
在出現(xiàn)數(shù)次問題后，我們都發(fā)現(xiàn)顯示部分正常，而觸摸部分不正常，也就是ADS7843的使用有問題，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。從圖上我們可以看見主要有四通道信號(hào)轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器（ SAR ）、電容型數(shù)據(jù)/轉(zhuǎn)換器（ CDAC ）、比較器、串行接口與控制器功能模塊組成。其中與編程有關(guān)的信號(hào)是DCLK、/CS、DIN、DOUT、BUSY、/PENIRQ，數(shù)據(jù)流向見圖4所示。
圖3 AD7843內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)
圖4 ADS7843接口圖
對(duì)于ADS7843來說，除了電源與地線，輸入模擬信號(hào)X+ 、X- 、Y+ 、Y - 、IN3、IN4，輸入數(shù)字信號(hào)DCLK、/CS、DIN;輸出數(shù)字信號(hào)BUSY、DOUT、/PEN IRQ.與編程有關(guān)的均是數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)輸入、輸出、時(shí)鐘輸入均為串行方式，最高轉(zhuǎn)換速率為1/125KH z，線路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上比較方便只需要6根端口線單片機(jī)就可以建立完全的數(shù)據(jù)交互。
2. 4 現(xiàn)象分析
采用80196的P1口的6個(gè)端口專門與其打交道，從硬件上講是完全可以的。然而由于在編程中P1口有些端口是作輸入、有些端口需要作為輸出， 80196又沒有對(duì)位直接進(jìn)行操作的指令，對(duì)P1某一個(gè)端口作輸出操作，通常196會(huì)先讀P1口的8個(gè)管腳，然后再進(jìn)行寫！的操作，根據(jù)P1口結(jié)構(gòu)，必然會(huì)帶來若作為輸入端口的管腳在其外部輸入信號(hào)為低時(shí)，執(zhí)行寫！指令后出現(xiàn)了將其輸入狀態(tài)改為了輸出狀態(tài)。此時(shí)在80196與ADS7843的DOUT與/PEN IRQ這兩根線上都將出現(xiàn)了同一根線上出現(xiàn)兩個(gè)輸出信號(hào)、爭搶信號(hào)的問題，這是數(shù)字電路中絕對(duì)不允許的，它的出現(xiàn)就有可能損壞芯片。
根據(jù)資料介紹，在編程操作中，當(dāng)P1口中有些管腳作為輸入，有些管腳作為輸出時(shí)要特別注意對(duì)P1 口寫指令操作，它是一個(gè)讀、寫過程，最好借助于一些單元。
3 軟件設(shè)計(jì)分析
對(duì)于按鍵的處理，系統(tǒng)采用中斷方式，流程如圖5所示。
圖5按鍵流程圖
主要相關(guān)程序如下：
/* 觸摸屏寫控制指令、讀數(shù)據(jù)子程序* /
LDB R6， # 08H ; 寫8位控制指令代碼
CLRC; LDB AL， COM ; 指令代碼準(zhǔn)備發(fā)送
ADS7843_W：SHLB AL， # 1 ; 數(shù)據(jù)串行發(fā)送
JC S_D I_1; JMP S_DI_0
S_DI_1： LDB BL， IOPORT1 ; 將P1 口狀態(tài)保存在BL 寄存器中
ORB BL， # 03H ; 將數(shù)據(jù)出DOUT置高，數(shù)據(jù)入DIN 為信號(hào)輸入狀態(tài)
LDB IOPORT1， BL ; 將修改后的狀態(tài)送至P1口
JMP SKCLK
S_DI_0： LDB BL， IOPORT1 ; 將P1 口狀態(tài)保存在BL 寄存器中
ANDB BL， # 0FEH ; 將數(shù)據(jù)出DOUT 置低
ORB BL， # 02H ; 數(shù)據(jù)入D IN為信號(hào)輸入狀態(tài)
LDB IOPORT1， BL; 將修改后的狀態(tài)送至P1口
SKCLK： LDB BL， IOPORT1 ; 將P1口狀態(tài)保存在BL寄存器中
ANDB BL， # 0F7H ; 時(shí)鐘信號(hào)DCLK為低
ORB BL， # 01H ; 將數(shù)據(jù)出DOUT 置高
LDB IOPORT1， BL ; 將修改后的狀態(tài)送至P1口
LDB BL， IOPORT1 ; 將P1口狀態(tài)保存在BL寄存器中
ORB BL， # 09H ; 時(shí)鐘信號(hào)DCLK 為高，將數(shù)據(jù)出DOUT置高
LDB IOPORT1， BL ; 將修改后的狀態(tài)送至P1口
DJNZ R6， ADS7843_W ; 8位指令送完
LDB BL， IOPORT1 ; 將P1口狀態(tài)保存在BL寄存器中
ANDB BL， # 0F7H ; 時(shí)鐘信號(hào)DCLK為低
ORB BL， # 01H ; 將數(shù)據(jù)出DOUT 置高
LDB IOPORT1， BL ; 將修改后的狀態(tài)送至P1口
/* 準(zhǔn)備接受觸摸屏按鍵讀14 位數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，先接受低8位數(shù)據(jù)* /
LDB R6， # 08H ; 鍵值設(shè)定方向讀低8位數(shù)據(jù)程序
DATA_OUT： LDB BL， IOPORT1 ; 將P1口狀態(tài)保存在BL寄存器中
ORB BL， # 09H ; 時(shí)鐘信號(hào)DCLK 為高，將數(shù)據(jù)出DOUT置高
LDB IOPORT1， BL ; 將修改后的狀態(tài)送至P1口
LDB BL， IOPORT1 ; 將P1口狀態(tài)保存在BL寄存器中
ANDB BL， # 0F7H ; 時(shí)鐘信號(hào)DCLK為低
ORB BL， # 01H ; 將數(shù)據(jù)出DOUT 置高
LDB IOPORT1， BL ; 將修改后的狀態(tài)送至P1口
SHLB AL， # 1 ; 數(shù)據(jù)左移一位
JBS IOPORT1， 0， DI_O_1 ; 判數(shù)據(jù)入DIN 高？
ANDB AL， # 0FEH ; 數(shù)據(jù)入DIN低， 輸入0
JMP DATA_OUT1
DI_O_1： ORB AL， # 01H ; 數(shù)據(jù)入DIN高，輸入1
DATA_OUT1： DJNZ R6， DATA_OUT ; 8位數(shù)據(jù)讀完
STB AL， FIRST ; 低8位數(shù)據(jù)保存至FIRST單元同樣處理接受數(shù)據(jù)高4位數(shù)據(jù)
…… …… ; 4位數(shù)據(jù)讀完，數(shù)據(jù)保存。讀14 位數(shù)據(jù)程序完成后返回
程序上機(jī)調(diào)試后再?zèng)]有出現(xiàn)觸摸屏與單片機(jī)之間指令不執(zhí)行，燒壞觸摸芯片的問題。也許你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在程序編程中，我們使用了BL寄存器作P1口的過渡保護(hù)單元，對(duì)輸出信號(hào)采用了對(duì)位的或、與方式達(dá)到輸出“1”、 “0”電平。保證P1的輸入端口不會(huì)因其他P1 端口的操作而改變其狀態(tài)，在信號(hào)線上出現(xiàn)兩個(gè)輸出、爭搶信號(hào)的現(xiàn)象。這就是觸摸屏出問題的主要原因。
4 結(jié)語
在項(xiàng)目鑒定時(shí)，專家們給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)合理、功能比較完善，擴(kuò)展性強(qiáng)，有一定的市場空間。特別提到了每個(gè)觸摸鍵設(shè)計(jì)合理、反映正確的結(jié)論。
在本項(xiàng)目結(jié)束時(shí)還有一個(gè)關(guān)于按鍵的遺留問題：由于是使用單端模式工作，且CPU 接到請(qǐng)求后，為了消除抖動(dòng)、防止誤觸發(fā)，延時(shí)后再響應(yīng)其請(qǐng)求，造成了按鍵反映遲緩，這是一個(gè)硬件、軟件都需改進(jìn)的問題，硬件需換模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片，軟件上延時(shí)可以短一些。 |
