单片机关键技术基础详解（五）

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　　参阅相关系列章节

　　单片机关键技术基础详解（一）

　　单片机关键技术基础详解（二）

　　单片机关键技术基础详解（三）

　　单片机关键技术基础详解（四）

　　一、单片机矩阵键盘原理与结构

　　矩阵式结构的键盘识别要复杂一些，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。

　　在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。

　　《1》确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。

　　行扫描法 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。

　　1、判断键盘中有无键按下 将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。

　　2、判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。

　　《2》确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“高低电平翻转法”。

　　首先让P1口高四位为1，低四位为0，。若有按键按下，则高四位中会有一个1翻转为0，低四位不会变，此时即可确定被按下的键的行位置。

　　然后让P1口高四位为0，低四位为1，。若有按键按下，则低四位中会有一个1翻转为0，高四位不会变，此时即可确定被按下的键的列位置。

　　最后将上述两者进行或运算即可确定被按下的键的位置。

　　二、什么是格雷码

　　格雷码（Gray code），又叫循环二进制码或反射二进制码 在数字系统中只能识别0和1，各种数据要转换为二进制代码才能进行处理，格雷码是一种无权码，采用绝对编码方式，典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式

　　简介

　　因为，自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但某些情况，例如从十进制的3转换成4时二进制码的每一位都要变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点，它是一种数字排序系统，其中的所有相邻整数在它们的数字表示中只有一个数字不同。它在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。另外由于最大数与最小数之间也仅一个数不同，故通常又叫格雷反射码或循环码。

　　2、格雷码对照表

　　下表为几种自然二进制码与格雷码的对照表：

　　一般的，普通二进制码与格雷码可以按以下方法互相转换：

　　二进制码-》格雷码（编码）：从最右边一位起，依次将每一位与左边一位异或（XOR），作为对应格雷码该位的值，最左边一位不变（相当于左边是0）;

　　格雷码-〉二进制码（解码）：从左边第二位起，将每位与左边一位解码后的值异或，作为该位解码后的值（最左边一位依然不变）。

　　数学（计算机）描述：

　　原码：p［n:0］;格雷码：c［n:0］（n∈N）;编码：c=G（p）;解码：p=F（c）;

　　书写时按从左向右标号依次减小，即MSB-》LSB，编解码也按此顺序进行

　　编码：

　　。..。..。..。..。..。...c［n］=p［n］，

　　。..。..。..。..。..。...c［i］=p［i］ XOR p［i+1］ （i∈N，n-1≥i≥0）;

　　解码：

　　。..。..。..。..。..。...p［n］=c［n］，

　　。..。..。..。..。..。...P［i］=c［i］ XOR p［i+1］ （i∈N， n-1≥i≥0）。

　　Gray Code是由贝尔实验室的Frank Gray在20世纪40年代提出的（是1880年由法国工程师Jean-Maurice-Emlle

　　Baudot发明的），用来在使用PCM（Pusle Code Modulation）方法传送讯号时避免出错，并于1953年3月17日取得美国专利。由定义可知，Gray Code的编码方式不是唯一的，这里讨论的是最常用的一种。

　　用异或乘除法实现二进制码与格雷码互相转换

　　如果在二进制运算中忽略进位、退位，那么加减运算都变成了异或（XOR）。

　　用异或代替加减进行二进制竖式乘除，称为异或乘除，它的特点是无进退位。

　　由于没有退位，异或除法将变得更像多项式除法。

　　如：10101除以11将变成1100余1，而不是111。

　　二进制转格雷码：

　　只要异或乘以二分之三，即二进制的1.1，然后忽略小数部分;也可以理解成异或乘以三（即11），再右移一位。

　　格雷码转二进制：

　　异或乘以三分之二，即除以1.1，忽略余数;或者左移一位，再异或除以三，忽略余数。

　　格雷码转二进制方法

　　二进位码第n位 = 二进位码第（n+1）位+格雷码第n位。因为二进位码和格雷码皆有相同位数，所以二进位码可从最高位的左边位元取0，以进行计算。（注：遇到1+1时结果视为0）

　　例如： 格雷码0111，为4位数，所以其所转为之二进位码也必为4位数，因此可取转成之二进位码第五位为0，即0 b3 b2 b1 b0。

　　0+0=0，所以b3=0

　　0+1=1，所以b2=1

　　1+1取0，所以b1=0

　　0+1取1，所以b0=1

　　因此所转换为之二进位码为0101

　　格雷码转换快速方法

　　（假设以二进制为0的值做为格雷码的0）

　　G：格雷码 B：二进位码

　　G（N） = B（n+1） XOR B（n）

　　
三、AVR单片机开发经验

　　AVR与传统类型的单片机相比，除了必须能实现原来的一些基本的功能，其在结构体系、功能部件、性能和可靠性等多方面有很大的提高和改善。

　　但使用更好的器件只是为设计实现一个好的系统创造了一个好的基础和可能性，如果还采用和沿袭以前传统的硬件和软件设计思想和方法的话，是不能用好AVR的，甚至也不能真正的了解AVR的特点和长处。

　　功能越好的器件，需要具备更高技术和能力的人来使用和驾驭它。就象一部好的F1赛车，只有具备高超技术的驾驶员才能充分体会到车的特点，并能最大限度的发挥出车的性能。

　　AVR具有上手入门快，开发方便简单的特点，但要充分体会和发挥AVR的优点，还需要应用工程师本身的硬软件设计开发能力的不断学习、实践提高。

　　“外行看热闹，内行看门道”，对于有一定基础的嵌入式和单片机系统设计开发的工程师，不妨先简单尝试一下AVR。

　　开发环境与工具：PC+下载线+实际的系统板

PC上的开发软件：

　　AVR Studio（Free）汇编+汇编调试+高级语言调试+软件仿真

　　ICC、CVAVR、BASCOM-AVR 高级语言程序开发+程序下载。其中一个购买正版全功能，作为主要的开发环境，其它使用DEMO版，作为辅助及参考。

　　AVR ISP下载线：

　　STK200 And STK200+ And STK300 ISP Programmer。通过PC的打印机口，采用ISP技术将系统运行代码（HEX、BIN）和数据写入AVR芯片的Flash和EEProm中，编程AVR的配置熔丝位和加密位。支持决大多数的AVR芯片、以及ATMEL的51兼容芯片89S8252、89S52等。在ICC、CVAVR、BASCOM-AVR、BASCOM-8051中都内含对该下载线的支持程序。免费专用的下载程序：SLISP、PonyProg2000等。

　　尽量不使用仿真器的建议：

　　在开发和调试系统程序时，有许多人完全依赖于仿真器，一旦离开了仿真器时就感觉无从下手。其实，由于AVR的Flash存贮器可方便的使用ISP技术在线的多次擦写，因此建议尽量不使用（依赖）仿真器来开发和调试程序。

　　在实际开发过程中，程序的调试可以从下几方面入手：

　　现在的高级语言编译器（如C编译器）可以产生效率很高的机器代码，因此建议大家尽量使用高级语言编写系统程序。

　　使用Atmel公司提供AVR Studio软件模拟仿真环境，以及其他的软件模拟仿真环境（BASCOM-AVR）。

　　尽可能使用高级语言编写系统程序。

　　利用目标板上的LED、LCD或异步串口。见附件“没有仿真器的情况下如何开发AVR”的介绍。

　　提高硬件设计的合理性：

　　尽量合理和充分使用AVR片内的资源，如EEPROM、A/D、内部的RC振荡源。

　　尽量采用串口通信连接的外围器件，大容量的存储器、LCD控制器、打印机、不用8279（LED数码管+键盘）而使用7279等。除了必须外扩RAM（如语音和图象），一般不提倡使用并行扩展（573+译码电路），减小硬件和连线以及PCB板上错误的出现概率，同时也提高了系统的可靠性。并行扩展向串行扩展是发展趋势。现在有大量的新的外围器件采用高速的串行接口，如A/D、D/A、RTC、存储器等。

　　尽量使用以及在目标板上预留ISP程序下载接口，或使用IAP技术。

　　优点：ISP接口与I/O的兼容性比JETAG好。

　　缺点：不能在线调试

　　注意和掌握AVR配置熔丝位的使用：

　　。 系统晶振的选择

　　.BOD的使用

　　。启动延时.Mega8的PC6引脚，RESET与通用I/O的转换

　　.JETAG接口和通用I/O的转换

　　。启动向量的转换，BOOT-LOAT区大小的设置

　　提高硬件可靠性的考虑：

　　。尽量采用片内晶体、采用低频率的系统时钟、振荡电路的输出小幅度。

　　。选择合适的启动延时参数

　　。使用BOD、片内的看门狗

　　。合理休眠方式的使用

　　。不用I/O口设定输出低电平

　　。利用内部的EEProm和寄存器MCUCSR判断复位标志，进行不同的处理

　　提高软件设计的能力和水平：

　　尽量合理采用高级语言设计编写系统程序。有许多人认为使用汇编写程序比较精简，而用高级语言开发会浪费很多程序空间，其实这是一种误解。对一个有经验的，而且非常熟悉某种单片机的汇编高手而言，他是能写出比高级语言更精简的代码。而对汇编不是很熟的开发者、或突然更换了一种新的单片机，您能保证一定可以写出比高级语言更简练的代码吗？

　　高级语言的优越性是汇编语言不能比的：

　　。程序移植方便

　　。程序的坚固性

　　。数学运算的支持

　　。条理清晰的结构化编程，程序的可维护性。

　　。可协同开发软件，开发周期短。

　　现在的高级语言编译器（如C编译器）已可以产生代码效率很高的机器代码，因此建议大家能用高级语言实现的程序尽可能使用高级语言写，在对速度和时序要求特严的场合可以采用混合编程的方法来解决。

　　更深入和全面的掌握各种串行通信协议的规程：

　　嵌入式系统目前以大量的使用串行接口外围芯片和各种通信接口，如RS232、两线（I2C）、三线（SPI）、单总线、USB、CAN、TCP/IP等。开发人员和程序员应了解低层协议，熟悉硬件怎样和如何实现低层协议，如何定义可靠的上层应用协议，以及低层协议驱动同上层应用协议之间的接口设计（中间层软件的实现）等。

　　硬件工程师的软件编写能力要提高，采用标准程序编写方式、完善的软件整体框架的设计、良好的数据结构和程序结构系统。（计算机软件专业的程序设计员对硬件不熟悉、大部分是在操作系统支持下编写软件，对低层接口和协议的驱动层以及接口也不了解，往往也编写不出好的单片机系统程序。）

　　通信接口的编写应尽量

　　。采用中断+缓冲区，

　　。分层+结构化设计，

　　。尽量不使用轮循方式（降低AVR的效率）。参见URAT（RS232）驱动+中间层软件示例。