便攜式功率分析儀設計----鍵盤設計與校準、調試與測試

鍵盤操作

一般的測量儀器都可通過按鍵輸入命令對儀器進行測量，按鍵的種類很多，從機械結構來分有機械接觸式的，導電橡膠的等，但無論何種按鍵都具有一個最基本的特性，那就是能實現觸點的通和斷，然后通過電路實現電氣上的邏輯通和斷，從而實現功能的控制，在現代電子測量儀器中一個按鍵能表示一個使儀器完成某種操作的命令，也可用幾個按鍵組合完成一個特定的命令，還能用一個按鍵在不同的狀態下表示不同的命令，但一般每個按鍵都有其唯一的代碼。CPU通過讀代碼來識別按鍵進行處理，按鍵的排列一般都是矩陣形式，每一個按鍵都有唯一的行、列位置，所以CPU通過確定按鍵的行列來確定按鍵的位置，鍵盤與CPU的連接方式有兩種，一種是利用中斷，當有鍵按下時，按鍵閉合，鍵盤板產生一個中斷信號，CPU轉入鍵盤處理程序，另一種就是利用查詢法，定時讀回鍵盤列信號，判斷是否有鍵按下，如果有，則轉入鍵盤處理程序，如果沒有，則執行其他命令。

鍵盤掃描控制

當鍵盤數目較多時，為了節省單片機的接口資源，應該采用矩陣式鍵盤，其行線上的電平由鍵盤接口的掃描輸出控制，行線上按一定的順序依次出現低電平，在沒有鍵按下時，各列線均被上拉電阻拉為高電平，并且在任意時刻只有一跟行線出現低電平。若有某鍵按下，它所在的列將會被拉成低電平。在鍵盤掃描和鍵盤讀入高速同步進行的情況下，相對速度較慢的按鍵動作總是可以被捕捉到的。鍵盤接口可采用普通的帶選通的邏輯電路芯片，鍵盤的掃描操作不應該安排在非中斷的常規程序中，因為那樣將影響主程序的運行速度，解決的方法之一就是將鍵盤掃描程序作為獨立的一塊，僅在主程序產生中斷時調用，二是選用在鍵盤按下時會產生中斷的芯片。

在實際設計中我們采用了非編碼鍵盤，使用逐行掃描方式進行鍵盤掃描。逐行掃描法的實現方法是：通過執行鍵盤掃描程序對鍵盤矩陣進行掃描，以識別按鍵的行、列位置。程序查詢的步驟如下：

1）查詢是否有鍵按下。

首先由CPU對行線的各位置“0”，然后CPU再從列線讀入數據。若讀入的數據為全“1”，表示無鍵按下；只要讀入的數據中有一位不為“1”，表示有鍵按下，接著查按鍵的位置。

2）查詢已按下鍵的位置。

a.查詢已按下的鍵在哪一列。哪一位列線為“0”，表示被按下的鍵就肯定在這一列中。

b.查詢已按下的鍵在哪一行。需要逐行進行掃描。CPU首先使X0=0，X1～X7為全“1”，讀入Y0～Y7，若為全“1”，表示按鍵不在這一行；接著使X1=0，其余各位為全“1”，讀入Y0～Y7，……，直至Y0～Y7不為全“1”為止。

3）按行號和列號求鍵的位置碼。

得到的行號和列號表示按下鍵的位置碼。若該鍵是字符鍵，則根據這個鍵碼到專用的ROM中取出此鍵的ASCII碼；若該鍵是功能鍵，則轉入相應的服務子程序，完成其功能操作。

任何機械式按鍵，在斷開和閉合時均會因碰撞的彈跳而造成機械抖動，這種抖動在電氣上產生時斷時續的信號，使得高速的電子邏輯電路出現錯誤的結果，針對這種抖動現象，可以采用兩種消除方法，一種是在軟件中安排消抖算法，軟件方法就是在判斷有鍵按下后，軟件延遲一段時間再判斷鍵盤狀態，否則認為是按鍵抖動，重新進行掃描。二是采用硬件消抖電路，硬件方法就是給列信號線上加一個低通濾波器，消除按鍵過程中的尖峰抖動。在本系統設計過程中的消除抖動采用軟件延遲法，利用定時器DelayNS（）完成延遲判斷，從而達到消抖的目的。

除了按鍵以外，一般的測量儀器鍵盤上還有旋鈕。旋鈕與按鍵不同，對旋鈕而言是要能表示兩種動作：左旋、右旋。而在旋鈕靜止狀態，旋鈕所占用的信號線既可能導通又可能截止。所以在矩陣式鍵盤上對旋鈕動作的識別不同：首先行線上按一定的順序依次出現低電平，若旋鈕無動作時，旋鈕所占用的兩條列線的狀態不變，若旋鈕有動作時，旋鈕所占用的兩條列線的狀態會連續變化，且變化規律類似于：00->01->11->10->00或00->10->11->01->00.由此可判斷出是哪個旋鈕動作和旋鈕的旋轉方向。對旋鈕，機械抖動問題很小。

4.5.2鍵盤接口

在本系統設計中，由于串口通訊中要求發送和接受雙方必須遵守數據格式和時間限制等方面的統一規定，這樣才能保證正常進行。這使得串口通訊方式控制起來略顯煩瑣，為使鍵盤掃描控制更加簡單，鍵盤的硬件接口沒有使用ARM的串口，其鍵盤通訊以外接4×4鍵盤為例，我們是直接利用ARM的P1.16～P1.23口的第一功能標準I/O口，分為行變量LINE[]、列變量COLUMN[]來實現鍵盤操作控制的，這樣進行如前文所述的逐行掃描法時，將十分直觀和簡便。

第五章校準、調試與測試

任何計量器具由于種種原因都具有不同程度的誤差計量器具的誤差，只在允許的范圍內才能應用，否則將帶來錯誤的計量結果。對于新制的或修理后的計量器具必須用適當等級的計量標準來確定其計量特性是否合格，對于使用中的計量器具必須用適當等級的計量標準對其進行周期檢定，另外有些計量器具必須借助適當等級的計量標準來確定其示值和其它計量性能，因此量值傳遞的必要性是顯而易見的。

5.1常用儀器校準方法

微波功率量值傳遞的關鍵是減小失配誤差。功率的量值傳遞方法大致可分為四類：

①交替連接比較法：把標準功率計和被校功率計交替接到穩定的信號源上進行校準。這種方法的誤差較大，但簡單易行，在準確度要求不高的情況下廣泛使用。

②單定向耦合器直接比較法：利用定向耦合器-功率檢波器組合，提供一個穩幅的低反射系數的等效信號源（圖2）。當采用調配措施后，可使等效信號源的反射系數小于0.005，減小失配誤差，然后用功率標準對其校準，確定校準系數后可作為傳遞標準，用來單獨校準其他功率計。

③調配反射計法：為了有效地消除失配誤差、提高功率測量和量值傳遞的準確度，1960年開始采用反射計法進行功率量值傳遞，利用調配反射計技術，有效地將入射波與反射波分開以消除失配誤差。但這種方法復雜，技術要求很高。

④功率方程法：1969年G.F.恩金提出一種描述和計算微波系統的“功率方程概念”，用傳輸的凈功率這一基本實數參量替代電路理論中的復數行波波幅來分析和計算微波系統，放寬了對均勻波導，特別是對精密同軸接頭的要求，對失配誤差的修正提出了一個確定解，克服了電路理論只能估計失配誤差極限的缺點。功率方程法采用廣義反射計技術的校準系統（圖3）。它測量兩個實數的失配因子，對失配誤差進行精確修正，測量準確度可達到±0.2％。在實際校準測試過程中，我們選用的設計方法較為簡單的單定向耦合器直接比較法進行儀器校準，從而生成校準參數。

5.2校準調試功率校準

主要針對A/D采樣值與實際功率值間的轉換關系和功率的頻響誤差進行。通過功率測量過程，我們將校準主要分為以下4個部分：通道校準、功率測量校準、頻率測量校準、功率頻響校準。

5.2.1通道校準

我們在計算功率值時，是利用的A/D采樣得到的十六進制表示的電壓值，為了獲得實際射頻信號經過檢波模塊輸出電壓值，就必須通過此時A/D采樣得到的電壓和實際電壓的對應關系擬合出實際電壓值和A/D前端電壓值的曲線。由于在通道設計上我們在A/D之前加入AD8369（可變增益放大器）實現3 dB步長的數字增益調節，所以擬合曲線根據不同衰減擋位進行擬合。