一種新穎的智能碼盤的研究

摘要：在此介紹了一種由極少硬件構(gòu)成的簡易智能碼盤，該系統(tǒng)主要由單片機和拔碼開關(guān)組成，采用撥碼開關(guān)設(shè)置輸入數(shù)據(jù)量的位碼和數(shù)碼，通過外部中斷數(shù)據(jù)采集按鍵控制該位數(shù)據(jù)量的輸入，并由顯示器監(jiān)視，內(nèi)部E2PROM保存，同時通過串行口向用戶系統(tǒng)發(fā)送設(shè)置數(shù)據(jù)。故使用該碼盤用戶系統(tǒng)僅占用一個串行口或虛擬串行口就可實現(xiàn)16位BCD碼設(shè)置或64位二進制碼輸入，16位BCD碼可根據(jù)用戶需要分割為幾組，每組數(shù)據(jù)的位數(shù)也可任意定義，以滿足各種控制系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置的需要。
關(guān)鍵詞：智能碼盤；16位BCD碼；撥碼開關(guān)；E2PROM

0 引言
    在自動控制系統(tǒng)應(yīng)用中，經(jīng)常需要設(shè)定控制目標(biāo)參數(shù)，這些參數(shù)一般由鍵盤或碼盤輸入，隨著工業(yè)自動化程度越來越高，各種碼盤的需求也逐漸增加。
    很多學(xué)者研究了各式各樣的碼盤。他們大多是利用物理、電磁、生物、光學(xué)等原理，研制出撥鍵式、光電式及光柵式等碼盤。然而，這些碼盤都有一個共同的缺點，一個碼盤只能輸入一個數(shù)據(jù)位，當(dāng)輸入量位數(shù)過多時，就需要多個碼盤，這樣將會帶來計算機接口數(shù)量不夠的矛盾，即輸入數(shù)據(jù)位數(shù)越多，硬件越多，占用CPU接口就越多，硬件體積大，成本高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
    本文研究了一種簡易智能碼盤，只需占用系統(tǒng)CPU一個串行接口或2個普通輸入／輸出口(用虛擬串行口技術(shù))就可實現(xiàn)16位BCD碼或者64位二進制碼輸入，不僅簡化了硬件電路，而且解決了當(dāng)輸入數(shù)據(jù)位數(shù)過多時系統(tǒng)CPU接口不足的難題。

1 設(shè)計原理
    該智能碼盤用8位撥碼開關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入，其中高4位用于選擇輸入碼(BCD碼)的位數(shù)，低4位用于設(shè)置BCD碼的大小。如設(shè)置第8位碼為7，則撥碼開關(guān)高4位設(shè)置為1000，低4位為0111，然后按一次采集按鈕即完成輸入。碼盤CPU將采集到的BCD碼存入相應(yīng)的內(nèi)存，并轉(zhuǎn)存片內(nèi)E2PROM或FLASH內(nèi)，然后再從串行口輸出供用戶設(shè)備使用(用戶CPU串口采樣)。智能碼盤系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    為了進一步降低成本，當(dāng)用戶系統(tǒng)不大的情況下，也可選擇用戶CPU替代碼盤CPU。即利用用戶CPU的一個普通8位輸入／輸出口和一個外部中斷即可完成輸入控制參數(shù)設(shè)置功能。系統(tǒng)框圖如圖2所示。輸入完畢，所有撥碼開關(guān)處于斷開狀態(tài)，該口即可恢復(fù)其他輸入或輸出口功能，即不占用用戶系統(tǒng)接口，提高了接口使用效率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)輸入電路、數(shù)據(jù)采集電路(碼盤CPU)、顯示電路、數(shù)據(jù)輸出電路(碼盤CPU串口輸出通信)等部分組成。
2．1 數(shù)據(jù)輸入電路
    數(shù)據(jù)輸入部分由8位撥碼開關(guān)和上拉電阻組成。電路如圖3所示。

    通過撥碼開關(guān)的接通、斷開，實現(xiàn)邏輯“0”和邏輯“1”的輸出，供碼盤CPU采樣，其采樣的數(shù)據(jù)含義為高4位代表輸入數(shù)據(jù)位數(shù)，低4位代表數(shù)據(jù)大小。其數(shù)據(jù)大小和數(shù)碼含義由用戶定義，可以是BCD碼、格林碼、二進制碼或其他碼。最常用的為BCD碼或二進制碼。表1為撥碼開關(guān)位碼和數(shù)碼參數(shù)表。

2．2 數(shù)據(jù)采集電路
    本設(shè)計采用STC12C2052AD作為碼盤CPU，它是一款高速，低功耗，超小封裝的單片機，其價格低廉，性能可靠，無需擴展即可滿足設(shè)計要求。片內(nèi)2 KBFLASH和256 B片內(nèi)RAM，可以完成10萬次以上的擦寫次數(shù)，引腳封裝和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容，系統(tǒng)硬件設(shè)計簡單、軟件編程方便。數(shù)據(jù)采集在外部中斷中完成，當(dāng)按采集按鈕時，系統(tǒng)立即響應(yīng)中斷，即執(zhí)行中斷處理程序，從P1口讀入撥碼開關(guān)狀態(tài)，然后拆分位碼和數(shù)碼，如果數(shù)據(jù)有效(數(shù)碼數(shù)值不大于9)，則將采集數(shù)據(jù)存入相應(yīng)內(nèi)存，并轉(zhuǎn)存到E2PROM內(nèi)，即完成了位碼指定位的數(shù)據(jù)輸入，然后碼盤CPU將這組數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶系統(tǒng)CPU，再移植到控制參數(shù)緩沖器和送顯示器顯示，提示操作者設(shè)置控制參數(shù)的大小。當(dāng)所有位設(shè)置完成后，即可完成整體數(shù)據(jù)采集。
2．3 數(shù)據(jù)輸出電路
    該碼盤數(shù)據(jù)輸出由碼盤CPU通過異步通信串行接口(UART)進行串口發(fā)送，發(fā)送和接收波特率設(shè)置為1200b／s。
    為保證通信可靠性，采用對講機通信方式，碼盤CPU采集數(shù)據(jù)完畢后(接到發(fā)送命令)主動發(fā)送呼叫口令“S”，用戶控制系統(tǒng)CPU接收口令“S”后，應(yīng)答“O”來建立通信連接。聯(lián)結(jié)建立完畢后，將設(shè)置參數(shù)從高位到低位依次連續(xù)發(fā)送3遍。用戶系統(tǒng)CPU將接收到的3組數(shù)據(jù)進行對應(yīng)表決校驗，來確定接收數(shù)據(jù)正確性。
    用戶可以根據(jù)自己需要將接收到的16位數(shù)據(jù)將進行數(shù)據(jù)前后分組，每組數(shù)據(jù)位數(shù)和物理含義由用戶自己決定。例如在環(huán)境檢測系統(tǒng)中1～3位為環(huán)境溫度，4～5位為空氣濕度，6～8位為二氧化碳濃度，9～13位為光照強度，14～16位為噪聲強度。

3 軟件設(shè)計
    本設(shè)計采用匯編語言編程，主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、顯示子程序、FLASH讀／寫子程序、串口發(fā)送／接收子程序等。
3．1 碼盤CPU主程序流程圖
    碼盤CPU主程序流程圖如圖4所示。

    主要由系統(tǒng)初始化、E2PROM讀出、顯示，虛擬串口發(fā)送等程序模塊組成，系統(tǒng)初始化主要置更新標(biāo)志為1，其目的是系統(tǒng)從E2PROM內(nèi)讀出斷電前最后一次保存的數(shù)據(jù)，顯示，并發(fā)送給用戶控制系統(tǒng)CPU，供用戶系統(tǒng)使用。
3．2 數(shù)據(jù)輸入中斷服務(wù)程序
    圖5為數(shù)據(jù)輸入子程序流程圖，主要處理數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存入E2PROM中。數(shù)據(jù)輸入子程序是智能碼盤程序的核心部分，其執(zhí)行過程如下：
    (1)將P1的數(shù)據(jù)讀入；
    (2)拆分位碼、數(shù)碼；
    (3)判斷數(shù)碼數(shù)據(jù)是否合法(若數(shù)碼大于9，則視為不合法)，若不合法，采樣數(shù)據(jù)無效；
    (4)將位碼、數(shù)碼數(shù)據(jù)寫入E2PROM；
    (5)向用戶CPU發(fā)送。

4 應(yīng)用實例
    在木材干燥過程中，需要若干個干燥階段。每個階段都需要設(shè)置干燥時間、干燥溫度以及干燥濕度。若濕度太大，木材易發(fā)霉；若溫度過高，濕度太低，木材干燥過快，易引發(fā)內(nèi)裂，所以要求控制系統(tǒng)在滿足干燥濕度的條件下，盡快達到干燥溫度，并在該干燥溫度和濕度條件下保持干燥階段時間，使木材內(nèi)的水分自然流出。
    只應(yīng)用該碼盤的前10位就能滿足干燥過程參數(shù)的設(shè)置，16～13位設(shè)置干燥時間(時／分)，12～10位設(shè)置干燥溫度(干球溫度)，9～7位設(shè)置干燥濕度(濕球溫度)。干燥控制系統(tǒng)從串行口接收到這些干燥控制參數(shù)保存到30H～39H中，即30H～33H保存干燥時間，34H～36H保存干燥溫度，37H～39H保存干燥濕度，控制系統(tǒng)在工作時，根據(jù)實際采樣溫度、濕度與這些控制設(shè)置參數(shù)比較決策是否加熱提高干燥溫度、是否噴灑蒸氣提高干燥濕度、根據(jù)實際干燥時間是否更改干燥階段等控制。

5 結(jié)語
    經(jīng)試驗調(diào)試證明，本文提出的方法是切實可行的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，占用硬件接口少(只占用計算機一個串行口)，當(dāng)要求輸入數(shù)據(jù)越大，數(shù)字位數(shù)越多時，本方法的優(yōu)越性越明顯。