龔利英,彭業(yè)勝

(1.惠州經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系,惠州516057; 2.惠州國科電子廠)

引 言

在單片機應(yīng)用領(lǐng)域中,鍵盤輸入是最常見也是最重要的人機交互方法。通常實現(xiàn)鍵盤接口的方式有:獨立直接輸入、矩陣結(jié)構(gòu)、ADC方式、使用專用器件等?，F(xiàn)在市面上的單片機普遍帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能,即ADC。使用ADC方式的按鍵電路,具有硬件電路簡單、按鍵電路與單片機連線少、能節(jié)省I/O口、易于修改、節(jié)省成本等優(yōu)點。但在按鍵數(shù)比較多時,如果軟硬件配合不好,很容易出現(xiàn)按鍵不可靠的問題,表現(xiàn)為按鍵沒有反應(yīng)、按鍵功能紊亂等,因此按鍵電路的設(shè)計以及軟件和硬件的配合就顯得至關(guān)重要。

1 準備知識

1.1 ADC器件的設(shè)計計算

ADC器件的功能是將輸入的模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字電壓或電流。ADC的輸入與輸出有以下關(guān)系:

其中:n是ADC器件的位數(shù)(即分辨率);G是增益(一般ADC器件增益為1,美國國家半導(dǎo)體公司NI有其他增益的ADC器件);Vin或 Iin是輸入的模擬電壓或電流;Vref或Iref是ADC的參考電壓或參考電流。

因此,對于一個給定的ADC器件,在參考電壓或電流確定后,輸入的模擬值和輸出的數(shù)字量就必然是一一對應(yīng)的關(guān)系。而對于一個給定的ADC器件和模擬值,輸出的數(shù)字量只與參考量有關(guān),所以在應(yīng)用中必須確保參考量的準確無誤!這一點非常重要,筆者曾經(jīng)在產(chǎn)品設(shè)計調(diào)試中遇到過由于參考電壓的濾波電路不良,使得軟件讀取到的數(shù)字量比實際輸入值偏大,結(jié)果軟件判斷錯誤導(dǎo)致了按鍵失靈的故障。

1.2 ADC按鍵電路構(gòu)成

ADC按鍵由按鍵電路、ADC器件和MCU組成。它們之間的信息傳遞如圖1所示。

圖1

按鍵電路根據(jù)按下的按鍵給ADC器件提供相應(yīng)的電壓值,MCU控制ADC器件對此電壓進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,并根據(jù)得到的數(shù)字量執(zhí)行相應(yīng)的處理。

1.3 按鍵電路的原理

按鍵電路的實質(zhì)是一個電阻分壓器,其基本原理如圖2所示。圖中,送往ADC的電壓Vadc是電阻R1、R2對電壓Vcc的分壓值,ADC器件對Vadc進行轉(zhuǎn)換得到一個對應(yīng)的數(shù)字量。由于每一個數(shù)字量只對應(yīng)一個模擬電壓,所以只要不同的按鍵按下就可以取得不同的分壓值,就能夠通過軟件對數(shù)字量的識別,進而辨別出是哪個按鍵按下。

在理想情況下,一個n位的ADC器件,其可識別電壓為2n個,即可以識別2n個不同的按鍵。但由于實際應(yīng)用中存在電阻的自身誤差、電壓的波動誤差、ADC器件的轉(zhuǎn)換誤差、軟件的計算誤差等,所以在設(shè)計時必須將這些都考慮進來,不能簡單地使用電壓值與數(shù)字量一一對應(yīng)的方法來確定按鍵的鍵值。

圖2

1.4 按鍵中心電壓與電壓允許范圍的設(shè)計計算

由圖2有下面公式:

Vadc就是按鍵的中心電壓。從這個公式還可以看出,送往ADC器件的電壓Vadc只與Vcc、R1、R2有關(guān)。通常應(yīng)用中,允許誤差范圍為±5%,則Vadc的設(shè)計允許范圍是:

這里的Vadc就是式(1)的Vin,因此ADC器件的輸出數(shù)字量也是有范圍的:

要注意的是,要盡量確保軟件中的按鍵數(shù)字量判斷范圍和這里的按鍵電壓允許范圍相一致,只有這樣才能保證軟硬件配合一致。

2 按鍵電路的型式

按鍵電路的型式有多種,理論上講每個按鍵都有一個對應(yīng)的電壓值,但實際應(yīng)用中要考慮很多因素,例如電路的功耗以及防靜電能力等。下面就以常見的幾種按鍵電路進行分析比較,以設(shè)計出最適合的電路。

2.1 基本并聯(lián)型

由基本原理圖很容易設(shè)計出第一種電路型式:并聯(lián)型,如圖3所示。這種形式的電路有下面幾個特點:

①各個與按鍵連接的電阻成并聯(lián)關(guān)系,電路很直觀,易于理解。每個按鍵連接的電阻值都不一樣,這樣任何一個按鍵按下去得到的電壓值都不一樣。

②多個按鍵同時按下時可能造成功能紊亂,在按鍵很多時此問題尤其容易發(fā)生。此問題發(fā)生的原因是多個按鍵按下后的電壓值可能剛好等于另外一個按鍵設(shè)計的電壓值。不過這一特點也可以被利用來做組合鍵,只要小心地設(shè)計每個按鍵的電壓值,使各個單鍵和組合鍵的電壓值沒有重復(fù)就可以達到組合鍵的目的。

③沒有按鍵按下時ADC端口被上拉至高電位,電路基本不消耗功率。

④某一個按鍵的連接電阻變值或損壞,不會影響其他單個按鍵的功能。

⑤如果按鍵板到ADC端口的連線很長,則ADC端口很可能會被感應(yīng)的ESD電壓(即靜電電壓)損壞。此時需要設(shè)置防靜電管以便快速釋放ESD電壓。

⑥在ESD電壓加到ADC端口線上時,由于每個按鍵支路都承受相同的ESD脈沖電壓,則阻值小的支路流過的電流較大,容易損壞。此時,在增加ESD管的基礎(chǔ)上還要增大電阻的阻值。

圖3

⑦這種接法的電壓分配沒有順序。

2.2 基本串聯(lián)型

圖4是另一種電阻的接法——串聯(lián)型。這種電路的特點有:

①電阻串聯(lián)連接,每個按鍵單獨按下的電壓值都不相同。

②靠近ADC端口的按鍵具有優(yōu)先權(quán),此鍵按下后其下面所有的按鍵電阻都被屏蔽,所以這種單個線路做不了組合鍵。

③沒有按鍵按下時基本不消耗功率。

④某一個按鍵變值或損壞,其后面遠離ADC端口的所有按鍵功能都受影響。

⑤如果按鍵板到ADC端口的連線很長,則ADC端口很可能會被感應(yīng)的ESD電壓(即靜電電壓)損壞。此時需要設(shè)置防靜電管以吸收ESD電壓。

⑥在ESD電壓加到ADC端口線上時,由于靠近ADC端口的按鍵電阻相對較小,所以比下面的支路更容易被ESD電壓損壞。

⑦這種接法的電壓分配從上到下是逐級增大的。

圖4

2.3 改進并聯(lián)型

改變并聯(lián)型電路的接法,得到圖5所示的改進型并聯(lián)接法。這種接法在沒有按鍵按下時,ADC端口通過電阻接地,就算按鍵板到 ADC端口連線很長,ESD電壓也能通過電阻R5得到泄放,對ADC端口的保護作用比并聯(lián)型電路更可靠些,但是對電阻的保護效果還是一樣的。

圖5

2.4 改進串聯(lián)型

同樣,改變串聯(lián)型電路的接法,得到圖6所示的改進型串聯(lián)接法,這種接法跟改進并聯(lián)型電路一樣,能對ADC端口給與更多的保護;同時,這種接法的電壓分配從上到下是逐級減小的。

結(jié)合以上各種電路的特點,可以選擇適合于功能要求的ADC按鍵電路。

圖6

3 軟件設(shè)計

3.1 ADC采集按鍵數(shù)據(jù)的步驟

ADC按鍵是一個小型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它跟其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一樣要完成數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的處理、功能的執(zhí)行3個步驟,其順序如圖7所示。

圖7

3.2 ADC按鍵軟件設(shè)計的重點

在程序運行時,如果ADC檢測到的模擬量或者ADC輸出的數(shù)字量不準確,則執(zhí)行后面功能將出現(xiàn)誤動作或不動作。所以,這里介紹軟件在采集按鍵數(shù)據(jù)和處理按鍵數(shù)據(jù)這兩方面的處理技巧。

機械按鍵抖動時間的長短由按鍵的機械特性訣定,一般為5～10 ms。而按鍵的閉合穩(wěn)定時間的長短由操作人員的按鍵動作決定,一般為幾十毫秒至數(shù)秒。軟件每2 ms采樣1次ADC數(shù)據(jù)并保存,共采樣10次,所以采集數(shù)據(jù)約花費20 ms,能夠起到消除抖動的作用。執(zhí)行數(shù)字濾波舍去最大、最小值,再對剩下的8個數(shù)據(jù)求平均值。然后,逐一比較該平均值是在哪個Output_min和Output_max范圍內(nèi)就可以確定是哪個按鍵按下,再執(zhí)行相應(yīng)的功能函數(shù)。經(jīng)過實際裝機測試,該方法效果很好,按鍵控制靈敏而且可靠、準確無誤。流程如圖8所示。

4 小 結(jié)

現(xiàn)在的單片機大部分帶有A/D轉(zhuǎn)換功能,利用ADC按鍵就可以實現(xiàn)一個I/O口擴展多個按鍵,在實際的電路設(shè)計中可以降低成本,是個不錯的選擇。本文比較了4種ADC按鍵電路型式,介紹了ADC按鍵設(shè)計的計算方法和軟件程序設(shè)計流程,實現(xiàn)了精確、可靠的ADC按鍵接口。

圖8

[1]National Semiconductor Inc.ABCs of ADCs-Analog-to-Digital Converter Basics[EB/OL].[2009-08-21].http://www.national.com/appinfo/adc/files/ABCs_of_ADCs.pdf#page=1.

[2]Motorola Inc.Expanding Digital Input with an A/D Converter[EB/OL].[2009-08-21].http://www.motorola.com.cn/semiconductors/mcudsp/forms/appnote/AN1775.pdf.

[3]張曄,王玉民.單片機應(yīng)用技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006.