計算機控制技術(shù)

計算機控制技術(shù)課件第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四本章主要內(nèi)容

引言5.1鍵盤輸入電路5.2非編碼獨立式鍵盤5.3非編碼矩陣式鍵盤5.4編碼鍵盤

本章小結(jié)

思考題第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四引言

在計算機控制系統(tǒng)中，除了與生產(chǎn)過程進行信息傳遞的過程輸入輸出設(shè)備以外，還有與操作人員進行信息交換的常規(guī)輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。鍵盤是一種最常用的輸入設(shè)備,它是一組按鍵的集合，從功能上可分為數(shù)字鍵和功能鍵兩種，作用是輸入數(shù)據(jù)與命令，查詢和控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)簡單的人機對話。

鍵盤接口電路可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。編碼鍵盤采用硬件編碼電路來實現(xiàn)鍵的編碼，每按下一個鍵，鍵盤便能自動產(chǎn)生按鍵代碼。編碼鍵盤主要有BCD碼鍵盤、ASCII碼鍵盤等類型。非編碼鍵盤僅提供按鍵的通或斷狀態(tài),按鍵代碼的產(chǎn)生與識別由軟件完成。第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四引言

編碼鍵盤的特點是使用方便，鍵盤碼產(chǎn)生速度快，占用CPU時間少，但對按鍵的檢測與消除抖動干擾是靠硬件電路來完成的，因而硬件電路復(fù)雜、成本高。而非編碼鍵盤硬件電路簡單，成本低，但占用CPU的時間較長。第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四5.1鍵盤輸入電路主要知識點:5.1.1鍵盤的抖動干擾5.1.2抖動干擾的消除第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四

5.1.1鍵盤的抖動干擾由于機械觸點的彈性振動，按鍵在按下時不會馬上穩(wěn)定地接通而在彈起時也不能一下子完全地斷開，因而在按鍵閉合和斷開的瞬間均會出現(xiàn)一連串的抖動，這稱為按鍵的抖動干擾，其產(chǎn)生的波形如圖5-1所示，當(dāng)按鍵按下時會產(chǎn)生前沿抖動，當(dāng)按鍵彈起時會產(chǎn)生后沿抖動。這是所有機械觸點式按鍵在狀態(tài)輸出時的共性問題，抖動的時間長短取決于按鍵的機械特性與操作狀態(tài)，一般為10~100ms，此為鍵處理設(shè)計時要考慮的一個重要參數(shù)。第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四鏈接動畫第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四

5.1.2抖動干擾的消除

按鍵的抖動會造成按一次鍵產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)被CPU誤讀幾次。為了使CPU能正確地讀取按鍵狀態(tài)，必須在按鍵閉合或斷開時，消除產(chǎn)生的前沿或后沿抖動，去抖動的方法有硬件方法和軟件方法兩種。

1．硬件方法硬件方法是設(shè)計一個濾波延時電路或單穩(wěn)態(tài)電路等硬件電路來避開按鍵的抖動時間。圖5-2是由R2和C組成的濾波延時消抖電路，設(shè)置在按鍵S與CPU數(shù)據(jù)線Di之間。按鍵S未按下時，電容兩端電壓為0，即與非門輸入Vi為0，輸出Vo為1。當(dāng)S按下時，由于C兩端電壓不能突變，充電電壓Vi在充電時間內(nèi)未達到與非門的開啟電壓，門的輸出Vo將不會改變，直到充電電壓Vi大于門的開啟電壓時，與非門的輸出Vo才變?yōu)?，

第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四這段充電延遲時間取決于R1、R2和C值的大小，電路設(shè)計時只要使之大于或等于100ms即可避開按鍵抖動的影響。同理，按鍵S斷開時，即使出現(xiàn)抖動，由于C的放電延遲過程，也會消除按鍵抖動的影響圖中，V1是未施加濾波電路含有前沿抖動、后沿抖動的波形，V2是施加濾波電路后消除抖動的波形。2．軟件方法軟件方法是指編制一段時間大于100ms的延時程序，在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行這段延時子程序使鍵的前沿抖動消失后再檢測該鍵狀態(tài)，如果該鍵仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認為該鍵已穩(wěn)定按下，否則無鍵按下，從而消除了抖動的影響。同理，在檢測到按鍵釋放后，也同樣要延遲一段時間，以消除后沿抖動，然后轉(zhuǎn)入對該按鍵的處理。第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四圖5-2濾波延時消抖電路鏈接動畫第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四

5.2非編碼獨立式鍵盤主要知識點:5.2.1查詢法接口電路5.2.2中斷法接口電路第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四5.2.1查詢法接口電路

現(xiàn)以3個按鍵為例，圖5-3即為獨立式鍵盤查詢法接口電路。按鍵S0、S1、S2分別通過上拉電阻與CPU的數(shù)據(jù)線D0、D1、D2相連，當(dāng)按鍵Si閉合時，數(shù)據(jù)線直接接地，因而CPU讀入Di=0；當(dāng)按鍵Si斷開時，數(shù)據(jù)線通過上拉電阻接到正電源，因而CPU讀入Di=1。該接口電路實現(xiàn)的功能為：查詢檢測是否有鍵按下，如有鍵閉合，則消除抖動，再判斷鍵號，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵處理。其程序流程如圖5-4所示。采用查詢法時，必須保證CPU每隔一定時間主動地去掃描按鍵一次，該掃描時間間隔應(yīng)小于兩次按鍵的時間間隔，否則會有按鍵不響應(yīng)的情形。顯然這種方式占用CPU時間比較多。

第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四圖5-3獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)原理

第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四圖5-4獨立式鍵盤查詢法程序流程圖鏈接動畫第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四

5.2.2中斷法接口電路仍以3個按鍵為例，圖5-5是一個爐溫控制系統(tǒng)的功能鍵分配圖，S0、S1、S2分別代表自動/手動切換、爐溫參數(shù)顯示和爐溫參數(shù)打印功能。這是在上述查詢法接口電路的基礎(chǔ)上，再把按鍵S0、S1、S2的數(shù)據(jù)輸出線經(jīng)過與非門和反相器后與8255A的選通輸入信號PC4相連，8255A的PC3發(fā)出中斷請求信號經(jīng)中斷控制器8259A與CPU的中斷請求引腳相連，這是一種典型的中斷法鍵盤接口電路。第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四工作過程如下：當(dāng)CPU對8255A初始化（8255A的A口工作于方式1輸入）后，CPU即執(zhí)行主程序。當(dāng)按下S0鍵即表示要進入自動控制狀態(tài)，此時與之相連的I/O口線呈現(xiàn)為低電平的同時，與非門輸出為高電平，經(jīng)反相器變?yōu)榈碗娖?，?255A端口A的選通輸入信號PC4有效，則PA0～PA2引腳接收并存入3個按鍵的“0”或“1”狀態(tài)，當(dāng)恢復(fù)成高電平后，經(jīng)TSIT時間，8255A的PC3發(fā)出INTRa中斷請求信號，經(jīng)中斷控制器8259A向CPU申請中斷，CPU響應(yīng)中斷后，即轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序中。中斷服務(wù)程序依次查詢按鍵的通斷狀態(tài)，當(dāng)查詢到是自動/手動（即S0=0）時，則轉(zhuǎn)到自動/手動控制子程序的入口地址，從而使系統(tǒng)進入自動控制狀態(tài)。如果沒有鍵按下，則相應(yīng)的I/O口線均為高電平，也不會產(chǎn)生中斷信號，CPU繼續(xù)運行主程序。第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四圖5-5獨立式鍵盤中斷法接口電路鏈接動畫第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四鍵盤中斷服務(wù)子程序，與查詢方式相似，在保護現(xiàn)場后，首先調(diào)用100mS延時子程序去除抖動，然后依次查鍵號，并轉(zhuǎn)入鍵功能處理程序，最后恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回。顯然，查詢順序代表了按鍵的排隊優(yōu)先級。采用中斷法時，CPU對按鍵而言是被動方式，在無鍵按下時不占用CPU時間，因而CPU有更多的時間執(zhí)行其他程序。上述分析說明：獨立式鍵盤接口電路簡單靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時，需要占用較多的I/O口線。比如64個按鍵，需要有64根線，不僅連線復(fù)雜，查詢按鍵的時間也較長。故這種鍵盤電路只適合于按鍵數(shù)量比較少的小型控制系統(tǒng)或智能控制儀表中。第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四

5.3非編碼矩陣式鍵盤主要知識點:5.3.1矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)組成5.3.2矩陣式鍵盤的程序設(shè)計第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四5.3.1矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)組成

矩陣式鍵盤又叫行列式鍵盤，是用I/O口線組成的行、列矩陣結(jié)構(gòu)，在每根行線與列線的交叉處，二線不直接相通而是通過一個按鍵跨接接通。采用這種矩陣結(jié)構(gòu)只需M根行輸出線和N根列輸入線，就可連接M×N個按鍵。通過鍵盤掃描程序的行輸出與列輸入就可確認按鍵的狀態(tài)，再通過鍵盤處理程序便可識別鍵值。鍵盤與CPU的接口可采用并行端口8255A、鎖存器或緩沖器一類。圖5-6給出了一種8×8非編碼矩陣式鍵盤的接口電路。行輸出電路由行掃描鎖存器74LS273、反相器與行線X0～X7連接組成，列輸入電路由三態(tài)緩沖器74LS244與列線Y0～Y7以及上拉電阻組成。X、Y線的每一個交叉處跨接一個鍵，其鍵值分別是十進制數(shù)的01，02，……，64。該鍵盤的接口地址為PORT1。第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四圖5-6矩陣式鍵盤接口電路鏈接動畫第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四

當(dāng)鍵盤中無任何鍵按下時，所有的行線和列線被斷開且相互獨立，輸入線Y0～Y7列都為高電平；當(dāng)有任意一鍵按下時，則該鍵所在的行線與列線接通，因此，該列線的電平取決于該鍵所在的行線?；诖?，產(chǎn)生了“行掃描法”與“線反轉(zhuǎn)法”兩種識別方法。

行掃描法又稱逐行零掃描查詢法，即逐行輸出行掃描信號“0”，使各行依次為低電平，然后分別讀入列數(shù)據(jù)，檢查此（低電平）行中是否有鍵按下。如果讀得某列線為低電平，則表示此（低電平）行線與此列線的交叉處有鍵按下，再對該鍵進行譯碼計算出鍵值，然后轉(zhuǎn)入該鍵的功能子程序入口地址；如果沒有任何一根列線為低電平，則說明此(低電平)行沒有鍵按下。接著進行下一行的“0”行掃描與列讀入，直到8行全部查完為止，若無鍵按下則返回。有時為了快速判斷鍵盤中是否有鍵按下，也可先將全部行線同時置為低電平，然后檢測列線的電平狀態(tài)，若所有列線均為高電平，則說明鍵盤中無鍵按下，立即返回；若要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被控下，然后再如上那樣進行逐行掃描。

第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四5.3.2矩陣式鍵盤的程序設(shè)計在計算機控制系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是CPU工作的一部分。因此在設(shè)計鍵盤掃描程序時，必須要保證鍵盤操作的實時性，又不能占有CPU太多的時間，還要充分考慮到抖動干擾的消除。一般可根據(jù)情況選用編程掃描、定時掃描或中斷掃描中的一種方式。下面來考慮掃描程序的編寫與準備。逐行輸出行掃描信號“0”，即是CPU依次使行線X0～X7為低電平，其輸出數(shù)據(jù)代碼分別為01H（X0線）、02H（X1線）、04H（X2線）、08H（X3線）、10H（X4線）、20H（X5線）、40H（X6線）、80H（X7線）。第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四

為消除按鍵的抖動干擾，程序中需調(diào)用延時100ms的子程序,以便認定確有鍵按下再識別其鍵值。求十進制鍵值的方法是分別設(shè)一個行值寄存器CL和列值寄存器DL。接口電路中跨接在行列線上的64個鍵，由于同一列相鄰行之間相隔數(shù)8，所以每進行一次“0”行掃描后，如果此行無鍵按下，則行寄存器CL應(yīng)加08再進行下一行的“0”行掃描；若有鍵按下則不加08而轉(zhuǎn)求列值，由于列值比鍵值小1，如第一行第一列的鍵按下時列值Y0(即數(shù)據(jù)位D0)＝0比01鍵值小1，所以列值寄存器DL應(yīng)先加1，然后將讀入的列值循環(huán)右移，判斷進位位CF是否等零即有否鍵按下，若無鍵按下，再繼續(xù)加1、右移、判斷，重復(fù)上述過程直到有鍵按下。最后把行值和列值相加并進行DAA修正，即可得到所求的十進制鍵值。第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四

例如跨接在X2行與Y1列的18鍵按下，其鍵值計算方法如下：第一次“0”行掃描X0行，無鍵按下，CL=00+08=08，接下來掃X1行，仍無鍵按下，加08并進行DAA修正，CL=08+08=16，再掃X2行，此時讀入的列值不等于FFH即表明有鍵按下，則CL=16不變。然后轉(zhuǎn)求列值，列值寄存器先加1再把讀入的列值循環(huán)移位，由于按下的鍵在Y1列，所以需移位兩次才能移出0值，因此DL=02，然后將行值寄存器與列值寄存器之值相加，并進行DAA修正，得到AL=CL+DL=16+02=18，即鍵值為18。該鍵盤掃描及鍵處理程序流程圖如圖5-7所示，其程序如下：第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四圖5-7矩陣式鍵盤掃描及鍵處理程序流程圖鏈接動畫第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四程序設(shè)計KEY：MOVAL，0MOVCL，AL；行值寄存器CL和列值寄存器DL清零MOVDL，ALMOVAL，0FFHOUTPORT1，AL；使所有行線為低電平INAL，PORT1；讀列鍵值CMPAL，0FFH；檢查是否有鍵按下JZDONE；無鍵按下轉(zhuǎn)返回CALLDELAY；有鍵按下調(diào)延時100mA子程序MOVAL，0FFHOUTPORT1，ALINAL，PORT1；重復(fù)上述掃描,再次確認是否有鍵按下第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四CMPAL，0FFHJZDONE；無鍵按下轉(zhuǎn)返回MOVAH，08；行數(shù)08送計數(shù)器AHMOVBL，01H；行掃描初值(即X0線)送BLKEY1：MOVAL，BLOUTPORT1，AL；輸出使某行為低電平INAL，PORT1；讀入列值CMPAL，0FFH；判斷此行是否有鍵按下JNZKEY2；有鍵按下轉(zhuǎn)KEY2MOVAL，CLADDAL，08；無鍵按下,行值寄存器加08DAAMOVCL，AL第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四RCLBL，1；求下一行為低電平的輸出代碼`DECAH；判8行全掃描完了嗎JNZKEY1；若未完轉(zhuǎn)KEY1，繼續(xù)掃描下一行DONE：IRET；若全完則返回KEY2：INCDL；列值寄存器加1(與鍵值對應(yīng))RCRAL，1；列值循環(huán)右移1位JCKEY2；判斷該列是否為1，為1則無鍵按下繼查下一列MOVAL，CL；為0則有鍵按下,獲得列值A(chǔ)DDAL，DLDAA；求鍵值MOV[BUFF]，AL；鍵值送緩沖單元暫存JMPKEYADR；轉(zhuǎn)查找功能鍵的入口地址ENDKEY；第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四對于鍵盤處理程序來說，求得鍵值并不是目的。如果該按鍵是數(shù)字鍵，就應(yīng)把該鍵值直接送到顯示緩沖區(qū)進行鍵值的數(shù)字顯示；如果該按鍵是功能鍵，則應(yīng)找到該鍵子程序的入口地址，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行該鍵的功能命令。第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四5.4編碼鍵盤主要知識點:5.4.1

二進制編碼器5.4.2編碼鍵盤接口電路第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四5.4.1二進制編碼器

具有優(yōu)先級的二進制8位編碼器CD4532B的真值表見表5-1。表示芯片優(yōu)先級的輸入允許端Ei為“0”時，無論編碼器的信號輸入I7~I0為何狀態(tài)，編碼器輸出全為“0”，芯片處于屏蔽狀態(tài)，同時Eo為“0”，也屏蔽下一級芯片；當(dāng)輸入允許端Ei為“1”時，且編碼器的信號輸入I7~I0全為“0”時，編碼輸出也為“0”，但輸出允許端Eo為“1”，表明此編碼器輸入端無鍵按下，卻允許優(yōu)先級低的相鄰編碼器處于編碼狀態(tài)；這兩種情形下的工作狀態(tài)端GS均為“0”。該芯片的8個輸入端當(dāng)中，I0的優(yōu)先級最高，I7的優(yōu)先級最低。當(dāng)有多個鍵按下時，優(yōu)先級高的被選中，同時自動屏蔽優(yōu)先級低的各輸入端和下一級芯片(使Eo端為“0”)。比如處于正常編碼狀態(tài)即Ei為“1”時，當(dāng)I0端為“1”，其余輸入端無論為“1”或“0”，編碼輸出均為二進制000，同時GS端為“1”，Eo端為“0”；而當(dāng)I0端為“0”，當(dāng)I1端為“1”時，編碼輸出則為二進制001；……以此類推，輸入端的鍵值號與二進制編碼輸出一一對應(yīng)。

第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四表5-1二進制8位編碼器CD4532B真值表狀態(tài)輸入編碼輸出EiI7I6I5I4I3I2I1I0GSO2O1O0Eo0××××××××00000100000000000011×××××××1100001××××××10100101×××××100101001××××1000101101×××10000110001××100000110101×10000001110011000000011110第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四5.4.2編碼鍵盤接口電路圖5-8是一種采用兩片CD4532B構(gòu)成的16個按鍵的二進制編碼接口電路。其中由于U1的Eo作為U2的Ei，所以按鍵S0的優(yōu)先級最高，S15的優(yōu)先級最低。U1和U2的輸出O2~O0經(jīng)或門A3~A1輸出，以形成低3位編碼D2~D0。而最高位D3則由U2的GS產(chǎn)生。當(dāng)按鍵S8~S15中有一個閉合時，其輸出為“1”。從而S0~S15中任意一個鍵被按下，由編碼位D3~D0均可輸出相應(yīng)的4位二進制碼。第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四圖5-8二進制編碼鍵盤接口電路第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四5.4.2編碼鍵盤接口電路為了消除鍵盤按下時產(chǎn)生的抖動干擾，該接口電路還設(shè)置了由與非門B1、B2、電阻R2、電容C2組成的單穩(wěn)電路和由或門A4、電阻R1、電容C1組成的延時電路，電路中E、F、G、H和I這五點的波形如圖5-9所示。由于U1和U2的GS接或門A4的輸入端，所以當(dāng)按下某鍵時，A4為高電平，其輸出經(jīng)R1和C1延時后使G點也為高電位，作為與非門B3的輸入之一。同時，U2的輸出信號Eo觸發(fā)單穩(wěn)(B1和B2)，在暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間ΔT內(nèi)，其輸出F點為低電位，也作為與非門B3的輸入之一。第36頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四由于暫穩(wěn)態(tài)期間(ΔT)