一种新颖的智能码盘的研究

摘要：在此介绍了一种由极少硬件构成的简易智能码盘，该系统主要由单片机和拔码开关组成，采用拨码开关设置输入数据量的位码和数码，通过外部中断数据采集按键控制该位数据量的输入，并由显示器监视，内部E2PROM保存，同时通过串行口向用户系统发送设置数据。故使用该码盘用户系统仅占用一个串行口或虚拟串行口就可实现16位BCD码设置或64位二进制码输入，16位BCD码可根据用户需要分割为几组，每组数据的位数也可任意定义，以满足各种控制系统控制参数设置的需要。
关键词：智能码盘；16位BCD码；拨码开关；E2PROM

0 引言
    在自动控制系统应用中，经常需要设定控制目标参数，这些参数一般由键盘或码盘输入，随着工业自动化程度越来越高，各种码盘的需求也逐渐增加。
    很多学者研究了各式各样的码盘。他们大多是利用物理、电磁、生物、光学等原理，研制出拨键式、光电式及光栅式等码盘。然而，这些码盘都有一个共同的缺点，一个码盘只能输入一个数据位，当输入量位数过多时，就需要多个码盘，这样将会带来计算机接口数量不够的矛盾，即输入数据位数越多，硬件越多，占用CPU接口就越多，硬件体积大，成本高，系统结构复杂。
    本文研究了一种简易智能码盘，只需占用系统CPU一个串行接口或2个普通输入／输出口(用虚拟串行口技术)就可实现16位BCD码或者64位二进制码输入，不仅简化了硬件电路，而且解决了当输入数据位数过多时系统CPU接口不足的难题。

1 设计原理
    该智能码盘用8位拨码开关实现数据输入，其中高4位用于选择输入码(BCD码)的位数，低4位用于设置BCD码的大小。如设置第8位码为7，则拨码开关高4位设置为1000，低4位为0111，然后按一次采集按钮即完成输入。码盘CPU将采集到的BCD码存入相应的内存，并转存片内E2PROM或FLASH内，然后再从串行口输出供用户设备使用(用户CPU串口采样)。智能码盘系统框图如图1所示。

    为了进一步降低成本，当用户系统不大的情况下，也可选择用户CPU替代码盘CPU。即利用用户CPU的一个普通8位输入／输出口和一个外部中断即可完成输入控制参数设置功能。系统框图如图2所示。输入完毕，所有拨码开关处于断开状态，该口即可恢复其他输入或输出口功能，即不占用用户系统接口，提高了接口使用效率。

2 系统硬件设计
    系统硬件结构主要由数据输入电路、数据采集电路(码盘CPU)、显示电路、数据输出电路(码盘CPU串口输出通信)等部分组成。
2．1 数据输入电路
    数据输入部分由8位拨码开关和上拉电阻组成。电路如图3所示。

    通过拨码开关的接通、断开，实现逻辑“0”和逻辑“1”的输出，供码盘CPU采样，其采样的数据含义为高4位代表输入数据位数，低4位代表数据大小。其数据大小和数码含义由用户定义，可以是BCD码、格林码、二进制码或其他码。最常用的为BCD码或二进制码。表1为拨码开关位码和数码参数表。

2．2 数据采集电路
    本设计采用STC12C2052AD作为码盘CPU，它是一款高速，低功耗，超小封装的单片机，其价格低廉，性能可靠，无需扩展即可满足设计要求。片内2 KBFLASH和256 B片内RAM，可以完成10万次以上的擦写次数，引脚封装和指令系统都与MCS-51兼容，系统硬件设计简单、软件编程方便。数据采集在外部中断中完成，当按采集按钮时，系统立即响应中断，即执行中断处理程序，从P1口读入拨码开关状态，然后拆分位码和数码，如果数据有效(数码数值不大于9)，则将采集数据存入相应内存，并转存到E2PROM内，即完成了位码指定位的数据输入，然后码盘CPU将这组数据发送至用户系统CPU，再移植到控制参数缓冲器和送显示器显示，提示操作者设置控制参数的大小。当所有位设置完成后，即可完成整体数据采集。
2．3 数据输出电路
    该码盘数据输出由码盘CPU通过异步通信串行接口(UART)进行串口发送，发送和接收波特率设置为1200b／s。
    为保证通信可靠性，采用对讲机通信方式，码盘CPU采集数据完毕后(接到发送命令)主动发送呼叫口令“S”，用户控制系统CPU接收口令“S”后，应答“O”来建立通信连接。联结建立完毕后，将设置参数从高位到低位依次连续发送3遍。用户系统CPU将接收到的3组数据进行对应表决校验，来确定接收数据正确性。
    用户可以根据自己需要将接收到的16位数据将进行数据前后分组，每组数据位数和物理含义由用户自己决定。例如在环境检测系统中1～3位为环境温度，4～5位为空气湿度，6～8位为二氧化碳浓度，9～13位为光照强度，14～16位为噪声强度。

3 软件设计
    本设计采用汇编语言编程，主要包括主程序、数据采集子程序、显示子程序、FLASH读／写子程序、串口发送／接收子程序等。
3．1 码盘CPU主程序流程图
    码盘CPU主程序流程图如图4所示。

    主要由系统初始化、E2PROM读出、显示，虚拟串口发送等程序模块组成，系统初始化主要置更新标志为1，其目的是系统从E2PROM内读出断电前最后一次保存的数据，显示，并发送给用户控制系统CPU，供用户系统使用。
3．2 数据输入中断服务程序
    图5为数据输入子程序流程图，主要处理数据采集，并将采集到的数据存入E2PROM中。数据输入子程序是智能码盘程序的核心部分，其执行过程如下：
    (1)将P1的数据读入；
    (2)拆分位码、数码；
    (3)判断数码数据是否合法(若数码大于9，则视为不合法)，若不合法，采样数据无效；
    (4)将位码、数码数据写入E2PROM；
    (5)向用户CPU发送。

4 应用实例
    在木材干燥过程中，需要若干个干燥阶段。每个阶段都需要设置干燥时间、干燥温度以及干燥湿度。若湿度太大，木材易发霉；若温度过高，湿度太低，木材干燥过快，易引发内裂，所以要求控制系统在满足干燥湿度的条件下，尽快达到干燥温度，并在该干燥温度和湿度条件下保持干燥阶段时间，使木材内的水分自然流出。
    只应用该码盘的前10位就能满足干燥过程参数的设置，16～13位设置干燥时间(时／分)，12～10位设置干燥温度(干球温度)，9～7位设置干燥湿度(湿球温度)。干燥控制系统从串行口接收到这些干燥控制参数保存到30H～39H中，即30H～33H保存干燥时间，34H～36H保存干燥温度，37H～39H保存干燥湿度，控制系统在工作时，根据实际采样温度、湿度与这些控制设置参数比较决策是否加热提高干燥温度、是否喷洒蒸气提高干燥湿度、根据实际干燥时间是否更改干燥阶段等控制。

5 结语
    经试验调试证明，本文提出的方法是切实可行的，系统结构简单，稳定性好，占用硬件接口少(只占用计算机一个串行口)，当要求输入数据越大，数字位数越多时，本方法的优越性越明显。