《凌陽十六位單片機原理及應用》課件第8章

第8章單片機應用系統設計8.1三角波、正弦波、方波發(fā)生器8.2紅外數據傳輸8.3串并轉換擴展鍵盤與顯示8.4語音錄放

8.1三角波、正弦波、方波發(fā)生器

8.1.1實現原理分析

1．三角波實現原理

三角波的上升沿和下降沿都是由N個數/模轉換器(DAC)輸出的小階梯構成，由于階梯很小，從宏觀上看它可以近似成三角波波形。階梯之間的時間間隔t1、t2由定時器TimerA的定時值決定。通過改變t1、t2的值來改變三角波上升沿和下降沿的時間T1、T2，從而改變三角波的頻率。其波形如圖8.1所示。圖8.1三角波

2．正弦波實現原理

SPCE061A的開發(fā)環(huán)境提供了數學運算函數庫math.lib。利用庫中的sinf(float<[x]>)函數，當sinf(float<[x]>)函數的x在0～2π之間變化時，就是一個完整的正弦波。以時間間隔t求得波形對應值為32736?×?sin?f(t)，經SPCE061A的D/A轉換在管腳DAC1(音頻通道1)或DAC2(音頻通道2)輸出，若再經電容濾波后就可以從DAC1(或DAC2)管腳得到需要的正弦波。圖8.2正弦波

3．方波實現原理

如圖8.3所示，在t1期間，DAC輸出電壓的峰值為3.3?V，在t2期間，DAC輸出0?V電壓。通過改變t1、t2的值來改變方波的頻率(也即占空比)。圖8.3方波8.1.2硬件電路設計

SPCE061A內部具有D/A轉換模塊，所以其硬件電路很簡單，只要在DAC的輸出端接一個負載電阻，將DAC輸出的電流信號轉換為電壓信號即可。因為需要輸出不同的波形，所以在此例中選用按鍵方式進行選擇，按TRI鍵輸出三角波，按SIN鍵輸出正弦波，按SQU鍵輸出方波。具體電路如圖8.4所示。圖8.4硬件連接圖8.1.3程序設計

1．三角波

SPCE061A具有兩通道10位電流輸出型的DAC(AUD1、AUD2)，每通道電流輸出為3?mA，在輸出端接電阻R(R值取600?Ω)，則輸出的電流便轉換為電壓。三角波的上升沿和下降沿都由100個小階梯組成。主程序判斷是上升沿還是下降沿，如果是上升沿，則將TimerA的定時值改為t1；如果是下降沿，則將TimerA的定時值改為t2，則三角波上升沿時間為100?×?t1、下降沿時間為100?×?t2。

2．正弦波

正弦波是靠調用庫函數sinf(x)產生的，當弧度在0～2π之間變化時，sinf(x)的值在-1～1的范圍內變化，將sinf(x)的值乘以32736(SPCE061A的D/A輸出最大值0xffc0的一半)，即將波形放大，并把0點偏移到1.65?V(最大輸出3.3?V的一半)，波形對應AD值計算部分程序為：圖8.5正弦波

3．方波

在方波的高電平，DAC輸出最大值0xffc0，在低電平時DAC輸出最小值0，方波高、低電平的寬度由定時器TimerB定時值確定。方波的占空比為D?=?t1/(t1?+?t2)。

8.2紅外數據傳輸

8.2.1問題描述

使用兩塊61板(SPCE061AEMUBOARD的簡稱，是以凌陽16位單片機SPCE061A為核心的精簡開發(fā)－仿真－實驗板)來完成紅外數據單向通信，一塊61板用于發(fā)送，另一塊則用于接收。發(fā)送方要進行鍵盤掃描，并將掃描獲得的鍵值發(fā)送到接收方，接收方將鍵值顯示。具體的要求是：

(1)?38?kHz的方波調制UART信號，通信速率為2400b/s(UART)。

(2)發(fā)送方共接有8個按鍵。

(3)接收方用8個發(fā)光二極管顯示接收到的鍵值。8.2.2系統設計

紅外通信由紅外發(fā)送和紅外接收兩部分組成。發(fā)送部分的基本原理是待發(fā)的二進制信號按照一定的編碼方式變成一定的輸出波形。因為發(fā)送信號容易受到外界的干擾，所以編碼不能直接通過紅外發(fā)送器發(fā)送。為了提高編碼的穩(wěn)定性，必須進行編碼調制，把調制好的信號再通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號。圖8.6紅外發(fā)射框圖圖8.7編碼的調制圖8.8紅外接收框圖圖8.9編碼的解調過程根據問題描述的要求分析，系統分成發(fā)送端和接收端兩大部分。

(1)發(fā)送端：用1?×?8鍵盤掃描，將掃描獲取的鍵值通過紅外調制的UART發(fā)送，UART波特率選用2400?b/s。圖8.10發(fā)送端系統框圖

(2)接收端：外接8個發(fā)光二極管，通過紅外接收器接收解調后的UART信號，把接收到的數據在8個發(fā)光二極管上顯示，一個二極管對應一個接收的鍵值。圖8.11接收端系統框圖8.2.3硬件設計

1．發(fā)送端的硬件電路設計

IOB8為SPCE061A的PWM輸出端口，輸出38?kHz的調制信號；IOB10為UART的發(fā)送信號TX端。為了通信的正確發(fā)送與接收，必須使RX和TX信號有相同的通信規(guī)約，其中最基本的是傳送的字符格式和波特率應相同。紅外發(fā)射、調制電路如圖8.12所示。圖8.12紅外發(fā)射調制電路圖8.131×8鍵盤輸入

2．接收端的硬件電路設計

紅外通信的接收功能由紅外通信控制寄存器控制，必須對其寫入相應的控制字，確定相應的功能及傳送通道時才能使用。紅外通信控制寄存器P_IR_Ctrl具有可讀寫的屬性，它用于設置紅外通信功能并接收紅外通信信號，既是控制字，又是數據緩沖器。寫入時為紅外通信的控制字，讀出時為紅外通信接收數據。圖8.14紅外接收電路圖8.15LED顯示部分電路原理圖8.2.4軟件流程

發(fā)送端的主程序主要完成鍵盤的掃描、獲取鍵值、把鍵值通過調制的UART發(fā)送出去；圖8.16是發(fā)送端主程序流程圖。

接收端的主程序流程如圖8.17所示。圖8.16發(fā)送端主程序流程圖

圖8.17接收端主程序流程圖8.2.5源程序

1．發(fā)射端主程序代碼

2．發(fā)射端UART接口程序代碼

3．鍵盤掃描代碼

4．接收端主程序代碼

5．接收端UART接口程序代碼

8.3串并轉換擴展鍵盤與顯示

8.3.1問題描述

為了實現串并轉換擴展鍵盤與顯示，對設計提出以下要求：

(1)利用74LS164設計串行接口鍵盤；

(2)利用74HC595設計串行靜態(tài)顯示電路；

(3)掃描串行鍵盤的輸入，并把掃描到的鍵值送74HC595進行串行靜態(tài)顯示；

(4)按鍵為1?×?16按鍵，按鍵處理程序包括消抖和等待鍵釋放；

(5)顯示為1?×?16顯示，且顯示結果與所按鍵一致；

(6)對74HC595的輸出進行鎖存。8.3.2串并轉換原理

在數字系統中，線路上信息的傳遞通常是串行傳送，而終端的輸入或輸出往往是并行的，因此需要將串行信號轉換成并行信號，或將并行信號轉換成串行信號。串并轉換就是數據以串行的方式從一個串行端口輸入，再按位通過多個輸出端口(并行端口)輸出。串并轉換是通過移位寄存器(具有移位功能的寄存器)來完成的。圖8.18串并轉換原理圖8.3.3串行接口鍵盤原理

1．74LS164芯片的介紹

74LS164是8位的串入并出移位寄存器芯片，它的16PIN封裝芯片的引腳圖如圖8.19所示。圖8.1974LS164的16PIN封裝芯片引腳

2．串行接口鍵盤原理

鍵盤是由若干個按鍵組成的開關矩陣，是微型計算機系統最常用的人機對話輸入設備。為了能可靠、正確地判斷輸入的鍵值，鍵盤接口應具有鍵掃描功能(即檢測是否有鍵按下)、鍵識別功能(即確定被按下的鍵所在位置)、產生相應鍵的代碼(即鍵值)、消除按鍵彈跳以及能夠識別多鍵及串鍵(復合按鍵)。鍵盤按其接線方法可分為直接式鍵盤、行列式鍵盤(又稱矩陣鍵盤)、串行接口鍵盤等。圖8.20串轉并16按鍵原理圖串行接口鍵盤的操作步驟：

1)檢測按鍵

2)掃描鍵盤并取鍵值8.3.4串行靜態(tài)顯示原理

1．74HC595芯片

74HC595芯片也是8位的串入并出類型的芯片。圖8.2174HC595的引腳圖

2．串行靜態(tài)顯示原理

利用移位寄存器可以將串行信號轉換為并行信號，實現用串行口擴展并行口。串行靜態(tài)顯示就是采用串并轉換擴展端口，在擴展的端口上進行靜態(tài)顯示。把兩片8位的具有串并轉換功能的74HC595芯片串聯成一個16位的串并轉換器，用16個發(fā)光二極管分別接在74HC595的并行輸出端口。SPCE061A單片機通過串行數據線(SDA)向74HC595發(fā)送不同的數據，16個并行輸出端口的狀態(tài)就會不同，對應發(fā)光二極管的亮滅狀態(tài)也就不同。圖8.22串行16位靜態(tài)顯示電路原理圖8.3.5系統設計

根據問題描述的要求分析，并考慮到題目的可擴展性，系統分成兩大部分。

1．鍵盤部分

鍵盤部分包括兩片8位的移位寄存器74LS164和16個按鍵。兩片8位的移位寄存器74LS164串聯組成一個16位的串并轉換電路，16個按鍵分別接到16個并行輸出端口。具體見8.3.3節(jié)串行接口鍵盤原理部分。

2．顯示部分

顯示部分包括兩片8位的移位寄存器74HC595和16個發(fā)光二極管。兩片8位的移位寄存器74HC595串聯組成一個16位的串并轉換電路，16個發(fā)光二極管分別接到這16個并行輸出端口，用來指示當前按下的是哪一個鍵。具體見8.3.4節(jié)串行靜態(tài)顯示原理部分。8.3.6硬件設計

系統的電路原理如圖8.23所示。圖8.23系統的電路原理8.3.7軟件流程

1．主程序流程

系統開始時對I/O端口進行初始化，之后進入一個主循環(huán)。在主循環(huán)中，首先掃描是否有鍵按下，如果返回鍵值不為“0”就調顯示程序，并顯示鍵值；如果返回鍵值為“0”，說明沒有鍵被按下，那么就需要重新掃描按鍵。主程序流程如圖8.24所示。圖8.24主程序流程圖

2．鍵盤掃描流程

鍵盤掃描流程圖如圖8.25所示。圖8.25鍵盤掃描流程圖

3．串行顯示流程

串行顯示流程圖如圖8.26所示。圖8.26串行顯示流程圖8.3.8源程序

1．主程序代碼

2．鍵盤掃描子程序代碼

3．中斷處理子程序代碼

8.4語音錄放

8.4.1問題描述

語音錄放是單片機應用中非常重要的部分，整個系統主要由語音錄入部分、語音輸出部分、資源存儲器部分以及SPCE061A核心控制部分構成，通過這一節(jié)的學習達到以下兩個要求：

(1)了解凌陽單片機對語音的錄制、壓縮和播放的功能及過程。

(2)學會編程并會擴展SRAM。8.4.2原理分析

1．錄音原理

SPCE061A的A/D轉換器有8個通道，其中有1個通道是MIC-IN輸入，它專門用于對語音信號進行采樣。語音信號經MIC轉換成電信號，由隔直電容隔掉直流成分，然后輸入至SPCE061A內部前置放大器。語音資源錄制的幾個步驟：

(1)語音采樣：在定時中斷的控制下，以一定的速率(8?kHz)進行A/D轉換；

(2)壓縮編碼：將采集到的數據以某種算法壓縮編碼，可以減少硬件存儲器的大??；

(3)存儲：將編碼后的數據保存到存儲介質中。

2．語音播放原理

語音播放就是語音錄制的逆過程，將存儲器中的語音數據順序取出，解碼后，以8?kHz的速率輸出，經電容濾波后，恢復原始語音波形，通過三極管驅動揚聲器放音。語音播放大體上可分為以下幾個步驟：

(1)順序從壓縮格式的語音資源中取出一組數據，放到“解壓縮隊列”中，等待解壓縮；

(2)執(zhí)行解壓縮程序，把壓縮數據還原成數字量的語音信號，送到“輸出隊列”等待輸出；

(3)如果在語音錄制時使用了8?kHz的采樣率，那么在語音播放的時候也要以8?kHz的速率進行D/A輸出，轉變成模擬信