基于小封装单片机的示波器控制面板电路设计_王啸.pdf

22 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月Electronics 电子学旋钮主要有以下功能：（1）示波器通道垂直档位快速调节和偏移快速调节；（2）示波器水平时基的调节和水平触发位置的调节；（3）示波器垂直触发电平位置的调节；（4）示波器功能选择旋钮等。按键主要有以下功能：（1）示波器通道的快捷开启与关闭；（2）混合信号示波器不同功能的快捷开启与关闭；（3）触发模式的快捷选择等。目前，数字示波器功能越来越丰富，随着示波器功能的集成化程度越来越高，控制面板的功能多样化、便捷化要求也越来越高如何通过简易、少量的电路设计实现多功能的示波器面板控制设计的需求也越来越迫切5。而且，示波器正逐渐往大屏化、大带宽、高分辨率、多功能方向发展，示波器控制面板的布局空间将逐渐减小6。更加多样化的控制方案、旋钮的精确控制、按键和旋钮的复用等对控制面板的硬件设计提出了更高的要求。本文通过一片单独的小封装单片机实现控制面板上按键的功能，并且采用拓扑结构，根据不同需要添加和删除按键和旋钮，实用性和复用性高，使键盘板的布局布线更加方便灵活。2 示波器控制面板设计本文通过一片单独的小封装单片机，不仅实现了示波器控制面板的功能性设计，而且可以根据示波器功能的种类及数量进行扩展。设计者可通过不0 引言示波器是观察电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器，在电工、电子和电气测量领域具有广泛应用1,2。它能形象显示电压随时间变化的波形并可测量频率和相位等参数，同时可经过各种转换器对光、声、热、磁和电流等信号进行间接的测量，是一种综合的信号特性测试仪器3。1 研究背景示波器不仅可以精确地复现信号电压随时间变化的波形，进行各种波形参数自动测量与分析，如信号幅度、频率、脉冲参数、信号相位信息等；还可用于高速、高精度数据采集单元，进行原始信息收集、分析和处理，完成各种监测和数据分析任务，广泛应用于模数混合信号测试、嵌入式系统设计与调试、瞬态信号的定位与分析、电源测量与分析、视频系统设计与调试、产品测试和质量控制等领域。作为数字示波器最主要的人机交互方式，示波器的控制面板在示波器的操作过程中发挥着重要作用，客户可以通过控制面板快速进行通道选择、触发模式和触发电平设置、参数测量的添加等。因此，控制面板的布局合理性及操控的流畅性一定程度上影响着人们对示波器的认可程度4。示波器的控制面板主要分为旋钮和按键两种。作者简介：王啸，中电科思仪科技股份有限公司，工程师，硕士；研究方向：射频电路设计。收稿日期：2023-01-08；修回日期：2023-05-12。摘要：阐述一种基于小封装单片机的示波器控制面板电路设计方法，实现了控制面板旋钮及按键的阵列扩展，能够满足各类示波器面板的设计要求，增强了设计电路的实用性。关键词：微处理器，示波器，控制面板，阵列扩展。中图分类号：TP14，TP368.1文章编号：1000-0755(2023)05-0022-02文献引用格式：王啸，刘洪庆，贺增昊.基于小封装单片机的示波器控制面板电路设计J.电子技术,2023,52(05):22-23.基于小封装单片机的示波器控制面板电路设计王啸，刘洪庆，贺增昊（中电科思仪科技股份有限公司，山东 266555）Abstract This paper describes a design method of oscilloscope control panel circuit based on small package MCU,which realizes the array expansion of control panel knobs and keys,can meet the design requirements of various oscilloscope panels,and enhances the practicability of the design circuit.Index Terms microcomputer,oscilloscope,control panel,array expansion.Design of Oscilloscope Control Panel Based on Small Package Single Chip Microcomputer CircuitWANG Xiao,LIU Hongqing,HE Zenghao(CECT Ceyear Technologies Co.,Ltd.,Shandong 266555,China.)电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 23Electronics 电子学同的设计需求进行选择，实现对示波器的控制，满足人机交互的需求。示波器的控制面板设计可分为单片机控制端设计和按键旋钮阵列端设计。单片机控制端主要包括单片机、FPGA、寄存器等。按键旋钮阵列端主要包括实现示波器不同功能的按键和旋钮。2.1 示波器控制面板控制端设计方案示波器控制面板控制端主要用来实现对按键和旋钮阵列的扫描、与FPGA的交互等功能。示波器控制面板的总体设计框图如图1所示。其中，D1为示波器采集模块FPGA，通过接插件与键盘板上小封装单片机D2进行通信，只占用了FPGA的两对端口。通过单片机与FPGA的联动，实现对示波器各项功能的控制。此外，可以通过X1接插件单独实现对单片机D2进行示波器控制面板控制程序的写入，方便了硬件电路和单片机程序的调试。G1为固定频率的晶振，为单片机的运行提供外部时钟，根据选用的不同型号的单片机选择不同频率的晶振。旋钮和按键主要通过Ni的移位寄存器进行识别和控制。移位寄存器的数量取决于旋钮和按键阵列的最大可扩展数。2.2 示波器控制面板阵列端设计方案旋钮和按键是示波器控制面板不可或缺的一部分，也是示波器实现人机交互的主要渠道。本文通过将旋钮和按键进行阵列化设计，大幅减少了对单片机控制管脚的要求。其阵列分布图如图2所示。单片机通过对阵列电平的扫描并进行判定。在进行阵列扫描时，对按键和旋钮的操作将体现为0和1的电平变化，单片机通过电平变化识别出用户对示波器面板的操作，通过与软件和FPGA的交互，完成示波器软件端和显示端对用户操作的具体响应，最终实现示波器的人机交互。3 示波器控制面板阵列扩展方法对于不同的示波器进行控制面板设计，根据需求的不同会有不同的设计方法。根据本文的设计方案，首先根据所需的功能确定旋钮和按键阵列的大小，然后确定移位寄存器的数量。图1中，STC单片机中07管脚（该单片机可用的A/D管脚）决定了按键和旋钮阵列可扩展的最大列数，每个A/D管脚可为按键和旋钮阵列增加1列，具体使用可根据需要调整，Ni的个数i决定了按键和旋钮阵列可扩展的最大行数。本方案的设计电路采用单片机STC的所有A/D管脚，根据配置不同数量的Ni个数来进行按键和旋钮阵列的扩展，以满足不同的需求。根据图2（a）和图2（b），行数m的数值由图1中所用Ni的个数决定，每个Ni可提供8个可用于扩展的行数，最终的按键和旋钮阵列的行数不能超出所用Ni可提供的行数，需满足m8i，具体行数可根据不同控制面板需求决定。此外，按键阵列中最终使用个数需满足不超过8n+8，n为按键阵列总行数，按键和旋钮总个数需满足8n+8+y+388i，具体使用个数可根据不同需要进行删减。根据所需阵列的大小选定移位寄存器的数量之后，通过对单片机进行程序设计，完成对阵列的扫描与控制。同时，通过与FPGA的交互，完成示波器控制面板、软件、FPGA三者的协同，实现示波器的人机交互。4 结语本文通过一种小封装的单片机对示波器控制面板进行设计，实现了控制面板中旋钮和按键的阵列化扩展。随着示波器功能多样化、大屏化的不断发展，对示波器的控制面板会越来越多样化，本文提出的设计方法可以一定程度上满足未来一段时间内对示波器面板不同的设计需求。参考文献1 孙骅.示波器的原理与应用J.电子制作,2013(05):25.2 刘洪庆,向前.数字荧光示波器设计与实现J.电子质量,2022(07):19-22.3 苗永平,王娜,孙二平,王庆国,刘维慧.应用于数字示波器实验的多功能实验仪研制J.大学物理实验,2021,34(06):84-89.4 宋小青,沈玺.基于人机工程学的控制面板设计研究J.装备制造技术,2006(04):67-69.5 华厚强.基于单片机和LabVIEW的虚拟示波器设计J.电子制作,2022,30(05):7-10.6 刘洪庆,向前.示波器最新技术进展与发展趋势J.电子质量,2021(08):1-5.图1 示波器控制面板总体设计框图图2 按键和旋钮阵列分布图