8096系列單片機(jī)與觸摸屏芯片的接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異， 人類對(duì)文明生活需求的進(jìn)步， 帶來對(duì)電能的需求越來越高， 也帶來了對(duì)電力系統(tǒng)的設(shè)備有更高的要求， 由此電力系統(tǒng)配電變壓器的功能及檢測(cè)設(shè)備受到各方面的密切關(guān)注。在市場(chǎng)上各種各樣的電力檢測(cè)設(shè)備不斷翻新， 其功能也向?qū)嵱眯?、高科技性方向發(fā)展， 但配電變壓器具有觸摸方式的人機(jī)友好界面功能及檢測(cè)的設(shè)備很少有報(bào)道， 為此， 在經(jīng)過多方面的調(diào)研， 我們提出研制使用觸摸方式、具有GPRS無(wú)線通信功能的配電變壓器智能檢測(cè)設(shè)備的任務(wù)。該設(shè)備在滿足配電功能要求的前提下， 采用觸摸顯示方式提高檢測(cè)設(shè)備的可操作性， 使用GPRS無(wú)線通信提高設(shè)備的先進(jìn)性、滿足現(xiàn)代信息社會(huì)的管理需求， 使其具有一定獨(dú)特優(yōu)勢(shì)， 能夠占領(lǐng)一定的市場(chǎng)領(lǐng)域。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的核心是采用先進(jìn)的INTEL96 系列16 位單片機(jī)80196， 配以液晶顯示觸摸屏、大規(guī)模門陣列邏輯集成電路xilinx95144， 通過串口驅(qū)動(dòng)電路MAX232外接GPRS模塊等， 組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完整、擴(kuò)充性強(qiáng)、布局合理， 使用芯片少， 體積小， 具有高可靠性和保密特性的設(shè)備系統(tǒng)， 原理圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)原理圖

　　1. 1 各功能模塊主要作用

　　（ 1） CPU80196在系統(tǒng)中主要承擔(dān)著控制中心及16位數(shù)據(jù)的算術(shù)、邏輯運(yùn)算的任務(wù)， 該單片機(jī)具有豐富的軟硬件資源及運(yùn)行速度快的指令系統(tǒng)， 非常適合于電力系統(tǒng)的儀表設(shè)計(jì)。

　?。?2） 大規(guī)模邏輯電路芯片X ilinx95144主要完成： 地址鎖存、數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)、控制信號(hào)總線驅(qū)動(dòng)及邏輯電平轉(zhuǎn)換、片選信號(hào)發(fā)生等， 它有144個(gè)宏單元3200 個(gè)邏輯門， 100個(gè)管腳，81數(shù)據(jù)輸入輸出腳， 4個(gè)在線編程腳， 可以完成10000次的在線編程。

　?。?3） MAX232串口驅(qū)動(dòng)： 完成串口電平TTL至RS232轉(zhuǎn)換功能。

　?。?4） GPRS模塊： 是一種新型的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)， 在移動(dòng)用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接， 給移動(dòng)用戶提供高速無(wú)線IP服務(wù)。它采用完全透明數(shù)據(jù)傳輸， 永遠(yuǎn)在線， 按流量計(jì)費(fèi)， 克服了通訊距離短， 性能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)， 真正實(shí)現(xiàn)全國(guó)無(wú)縫覆蓋， 特別適用于無(wú)人看守的區(qū)域。

　?。?5） 27512EPROM 程序存儲(chǔ)器， 提供64KByte 的程序存儲(chǔ)空間， 主要是存放系統(tǒng)程序。

　?。?6） 62256靜態(tài)RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 提供64KBy te的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間， 主要是存放采集的數(shù)據(jù)， 自帶電池， 可以保證數(shù)據(jù)在掉電的情況下不丟失。

　?。?7） DS1302日歷芯片可以根據(jù)設(shè)置自動(dòng)完成年月日時(shí)份秒的計(jì)算， 并可以實(shí)現(xiàn)鬧鐘， 它主要使系統(tǒng)能夠定時(shí)采集數(shù)據(jù)。

　?。?8） CAN屬于總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)， 具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力， 支持差分收發(fā)， 因而適合高噪聲環(huán)境， 而且傳輸距離比較遠(yuǎn)。在系統(tǒng)中我們采用了SJA1000 芯片， 通過正確連接和設(shè)置的， 達(dá)到CAN 總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能的自動(dòng)完成。

　?。?9） 開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路： 主要是提供給各種開關(guān)電源、交直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電壓與電流。在系統(tǒng)中我們采用數(shù)字電路與模擬電路的結(jié)合完成。

　?。?10）液晶顯示與觸摸屏： 提供人機(jī)交互友好界面， 我們選擇了臺(tái)灣AM PIRE 公司產(chǎn)DG - 32240 - 27 - SNCW -HCDTC液晶顯示觸摸屏， 具有320 ？？ 240顯示象素點(diǎn)， 160 ×110mm 觸摸大小， 其顯示部分控制芯片是SED1335， 觸摸部分控制芯片是ADS7843。

　　1. 2 系統(tǒng)調(diào)試

　　在系統(tǒng)的調(diào)試中， 一切功能與電氣指標(biāo)都能達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的要求， 但幾次出現(xiàn)觸摸屏與單片機(jī)之間指令不執(zhí)行， 甚至燒壞了觸摸屏中的芯片ADS7843的問題。

　　2 硬件設(shè)計(jì)分析

　　根據(jù)硬件連接， 使用的單片機(jī)P3、P4口通過X ilinx95144與液晶顯示相連， 觸摸屏與單片機(jī)P1口直接連接， 三者工作電壓均為廠商推薦典型值5V。

　　2. 1 80196KB單片機(jī)結(jié)構(gòu)

　　80196KB 是INTEL公司繼8位單片機(jī)以后推出的16 位單片機(jī)MCS_96 系列的產(chǎn)品之一，它與8位單片機(jī)相比提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性， 與現(xiàn)在的32位相比是真正意義上的單片機(jī)， 特別適用于各類自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用普林斯頓（ Pr inceton ）體系結(jié)構(gòu)， 又稱馮。諾曼（ Von Neumann） 結(jié)構(gòu)。具有程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合二為一的特點(diǎn)。它的P0口只能用于輸入， P1口是一個(gè)準(zhǔn)雙向口， P2 口是一個(gè)多功能口， P3、P4口是雙向口可作為系統(tǒng)總線。

　　在本系統(tǒng)的電路中， 采用P1口與觸摸屏接口打交道， P1口內(nèi)部管腳結(jié)構(gòu)如圖2 所示。P1口是一個(gè)準(zhǔn)雙向I/O口， 它由輸出緩沖器、內(nèi)部口鎖存器、內(nèi)部口寄存器和輸出緩沖器構(gòu)成， 與MCS51的準(zhǔn)雙向口相同， 內(nèi)部具有上拉電阻結(jié)構(gòu)。如圖2所示， 上拉作用由三個(gè)FET管產(chǎn)生， 其中p1是強(qiáng)上拉， p3由于高阻存在為弱上拉， p2為更弱上拉， n是低阻下拉FET.

　　圖2 準(zhǔn)雙向口P1內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)復(fù)位時(shí)，P1口呈現(xiàn)微弱上拉。當(dāng)用作輸入輸出功能， 其原理是：“輸入”： P1口輸入數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)際上是輸入到P1口寄存器中， 由寄存器去驅(qū)動(dòng)管腳， 圖二上/Q 即為寄存器的輸出， CPU 讀數(shù)據(jù)時(shí)是直接讀管腳。因此在讀數(shù)據(jù)時(shí)要保證P1口為輸入狀態(tài)， 應(yīng)先對(duì)P1口寄存器SFR置位， 此時(shí)n截止。切記當(dāng)端口用作輸入口時(shí)， 決不能向該口寫數(shù)據(jù)“0”?！?輸出”：在此狀態(tài)下， 當(dāng)指令對(duì)P1. x口的I/O口寄存器輸入數(shù)據(jù)是“0”時(shí)， 內(nèi)部寄存器的/Q輸出會(huì)打開下拉FET即n， 而關(guān)閉全部上拉FET即p1、p2、p3， 這時(shí)對(duì)應(yīng)輸出腳電平PORT PIN 為“0”; 當(dāng)指令對(duì)P1口的某一個(gè)I /O口寄存器輸入數(shù)據(jù)是“1”時(shí)， 內(nèi)部寄存器的/Q輸出會(huì)關(guān)閉n， 打開p1、p2、p3， 這時(shí)對(duì)應(yīng)輸出腳電平PORT PIN 為 “1”，即輸出是一個(gè)編程直接“寫”的過程。

　　2. 2 X ilinx95144

　　是一款高品質(zhì)的Comp lex Prog ramm able Logic Device 復(fù)雜的可編程邏輯器件（ CPLD）， 典型工作電壓為3. 3- 5V， 支持ISP即在線編程功能， 編程次數(shù)可達(dá)上萬(wàn)次， 管腳到管腳信號(hào)延遲7. 5ns， 工作頻率可達(dá)111MH z， 內(nèi)部有144個(gè)宏單元均是ROM 結(jié)構(gòu)， 掉電后內(nèi)部的邏輯數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。每個(gè)I /O管腳在輸出狀態(tài)下： 高電平時(shí)典型值- 4mA， 低電平典型值24mA; 每個(gè)I /O管腳在輸入狀態(tài)下： 高、低電平時(shí)均為uA級(jí)。因此輸出電氣特性： 在通常的TTL電平芯片電路中、外接驅(qū)動(dòng)不多的情況下， 可以不使用上拉電阻； 輸入電氣特性：

　　一般的集成芯片都可以直接與其相連， 不會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力不夠現(xiàn)象， 更不會(huì)出現(xiàn)損壞。

　　2. 3 觸摸顯示屏

　　顯示部分的控制芯片是SED1335， 是日本EPSON 公司生產(chǎn)的一款液晶顯示屏專用控制器， 與同類產(chǎn)品相比功能最強(qiáng)。其特點(diǎn)主要是： 有較強(qiáng)功能的I /O 緩沖器； 指令功能豐富； 4位數(shù)據(jù)并行發(fā)送； 圖形和文本方式混合顯示。觸摸部分的控制芯片是模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器ADS7843， 是美國(guó)T i公司生產(chǎn)的具有同步串行接口的8 位、12位數(shù)據(jù)輸出， 四線電阻觸摸屏模數(shù)轉(zhuǎn)換接口芯片。它通過標(biāo)準(zhǔn)SPI協(xié)議和CPU 通信； 精度高， 當(dāng)使用12位時(shí)精度達(dá)到0. 04mm， 可以達(dá)到X， Y 方向上的1/256， 1 /4096精度； 最大可接受電流？ 50mA， 典型值為數(shù)uA; 工作電壓為- 0. 3- + 6V; 工作時(shí)鐘典型值2MH z即數(shù)量級(jí)是uS; 當(dāng)觸摸屏被按下時(shí)（ 即有觸摸事件發(fā)生） ，ADS7843會(huì)發(fā)出中斷請(qǐng)求。

　　在出現(xiàn)數(shù)次問題后， 我們都發(fā)現(xiàn)顯示部分正常， 而觸摸部分不正常， 也就是ADS7843的使用有問題， 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。從圖上我們可以看見主要有四通道信號(hào)轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器（ SAR ）、電容型數(shù)據(jù)/轉(zhuǎn)換器（ CDAC ）、比較器、串行接口與控制器功能模塊組成。其中與編程有關(guān)的信號(hào)是DCLK、/CS、DIN、DOUT、BUSY、/PENIRQ，數(shù)據(jù)