基于ARM7 TDMI-S CPU的LPC2103的多功能電子鐘

上圖給出了一個簡單按鍵狀態(tài)機的狀態(tài)轉換圖。在圖中，將一次按鍵完整的操作過程分解為3個狀態(tài)，采用時間序列周期為10ms。下面對該圖做進一步的分析和說明，并根據(jù)狀態(tài)圖給出軟件的實現(xiàn)方法。首先，要充分體會時間序列的作用。在這個系統(tǒng)中，采用的時間序列周期為10ms，它意味著，每隔10ms檢測一次按鍵的輸入信號，并輸出一次按鍵的確認信號，同時按鍵的狀態(tài)也發(fā)生一次轉換。圖中“狀態(tài)0”為按鍵的初始狀態(tài)，當按鍵輸入為“1”時，表示按鍵處于開放，輸出“0”（1/0），下一狀態(tài)仍舊為“狀態(tài)0”。當按鍵輸入為“0”，表示按鍵閉合，但輸出還是“0”（0/0）（沒有經(jīng)過消抖，不能確認按鍵真正按下），下一狀態(tài)進入“狀態(tài)1”。“狀態(tài)1”為按鍵閉合確認狀態(tài)，它表示了在10ms前按鍵為閉合的，因此當再次檢測到按鍵輸入為“0”時，可以確認按鍵被按下了（經(jīng)過10ms的消抖），輸出“1”表示確認按鍵閉合（0/1），下一狀態(tài)進入“狀態(tài)2”。而當再次檢測到按鍵的輸入為“1”時，表示按鍵可能處在抖動干擾，輸出為“0”（1/0），下一狀態(tài)返回到“狀態(tài)0”。這樣，利用狀態(tài)1，實現(xiàn)了按鍵的消抖處理。“狀態(tài)2”為等待按鍵釋放狀態(tài)，因為只有等按鍵釋放后，一次完整的按鍵操作過程才算完成。從對上圖的分析中可以知道，在一次按鍵操作的整個過程，按鍵的狀態(tài)是從“狀態(tài)0”->“狀態(tài)1”->“狀態(tài)2”，最后返回到“狀態(tài)0”的。并且在整個過程中，按鍵的輸出信號僅在“狀態(tài)1”時給出了唯一的一次確認按鍵閉合的信號“1”（其它狀態(tài)均輸出“0”）。所以上面狀態(tài)機所表示的按鍵系統(tǒng)，不僅克服了按鍵抖動的問題，同時也確保在一次按鍵整個的過程中，系統(tǒng)只輸出一次按鍵閉合信號（“1”）。換句話講，不管按鍵被按下的時間保持多長，在這個按鍵的整個過程中都只給出了一次確認的輸出，因此在這個設計中，按鍵沒有“連發(fā)”功能，它是一個最簡單和基本的按鍵。一旦有了正確的狀態(tài)轉換圖，就可以根據(jù)狀態(tài)轉換圖編寫軟件了。在軟件中實現(xiàn)狀態(tài)機的方法和程序結構通常使用多分支結構（IF-ELSEIF-ELSE、CASE等）實現(xiàn)。下面是根據(jù)上圖、基于狀態(tài)機方式編寫的簡單按鍵接口函數(shù)GetKey()。

該簡單按鍵接口函數(shù)GetKey()在整個系統(tǒng)程序中應每隔10ms調(diào)用執(zhí)行一次，每次執(zhí)行時進入用switch結構構成的狀態(tài)機。switch結構中的case語句分別實現(xiàn)了3個不同狀態(tài)的處理判別過程，在每個狀態(tài)中將根據(jù)狀態(tài)的不同，以及key4的值（狀態(tài)機的輸入）確定輸出值（keyreturn），和確定下一次按鍵的狀態(tài)值（keystate）。函數(shù)GetKey()的返回參數(shù)提供上層程序使用。返回值為0時，表示按鍵無動作；而返回1表示有一次按鍵閉合動作，需要進入按鍵處理程序做相應的鍵處理。在函數(shù)GetKey()中定義了2個局部變量，其中keyreturn為一般普通的局部變量，每次函數(shù)執(zhí)行時，keyreturn為函數(shù)的返回值，總是先初始化為0，只有在狀態(tài)1中重新置1，作為表示按鍵確認的標志返回。變量keystate非常重要，它保存著按鍵的狀態(tài)值，該變量的值在函數(shù)調(diào)用結束后不能消失，必須保留原值，因此在程序中定義為“局部靜態(tài)變量”。通過對按鍵的掃描程序后，就知道了哪一個獨立鍵盤的按鍵被按下了，通過void keysure()函數(shù)來定義每一個按鍵的功能。

中斷優(yōu)先級的定義：

LPC2103的向量中斷控制器VIC（Vectored Interrupt Controller）具有32個中斷請求輸入。可將這些中斷編程分為3類：FIQ、向量IRQ、非向量IRQ。其中快速中斷請求FIQ（Fast Interrupt reQuest）具有最高的優(yōu)先級。向量IRQ（Vectored IRQ）具有中等優(yōu)先級。該級別可分配32個中斷請求中的16個。32個請求中的任意一個都可分配到16個向量IRQ slot中的任意一個，其中slot0具有最高優(yōu)先級，而slot15則為最低優(yōu)先級。非向量IRQ（Non-vectored IRQ）的優(yōu)先級最低。

在這個多功能時鐘的程序設計中，使用了兩個中斷都是分配為向量IPQ。定時器1作為時鐘的基準計數(shù)時鐘，有最高的優(yōu)先級；定時器2分配為下一個優(yōu)先級。相關的語句設置如下：

VICVectCntl0 = 0x20 | 5; /* 定時器1分配為向量IRQ通道0 */

VICVectAddr0 = (UINT32) Timer1ISR; /* 分配中斷服務程序地址0 */

VICVectCntl1 = 0x20 | 26; /* 定時器2分配為向量IRQ通道1 */

VICVectAddr1 = (UINT32) Timer2ISR; /* 分配中斷服務程序地址1 */

VICIntEnable = 1 << 26; /* 定時器2中斷使能 */

VICIntEnable = 1 << 5; /* 定時器1中斷使能 */

四、調(diào)試過程

由于這次的設計使用的是LPC2103的開發(fā)板，所以在硬件上不需要太多的去調(diào)試。在利用開發(fā)板硬件資源的基礎上，由于這次的多功能鬧鐘設計使用的模塊較多，基本上各個模塊的調(diào)試是分開進行的。主要包括初始化的程序調(diào)試、按鍵子程序調(diào)試、LED顯示調(diào)試這幾部分子程序的調(diào)試。將這三部分調(diào)試成功，那么整個設計的軟件部分也就基本完成了。在該課程設計中，采用的集成開發(fā)環(huán)境是uVision，在軟件設計過程中，有時候不小心插入了一個中文的符號（如分號），就會使軟件編譯不通過，開始在這個錯誤上浪費不少時間，但后來注意到了這個情況，避免了類似的錯誤的發(fā)生。

我首先進行的是鍵盤掃描模塊的程序設計及調(diào)試。該模塊主要由按鍵的狀態(tài)確認函數(shù)（UINT8 GetKey()）和按鍵確認函數(shù)（void keysure()）共同完成。按鍵的狀態(tài)函數(shù)主要是由一個返回值來確認按鍵的狀態(tài)，開始的時候，由于缺少一個語句：keyreturn=0;即每次進入函數(shù)的時候要將按鍵的狀態(tài)清零，導致按鍵在一次按下之后就出現(xiàn)了不正常的情況，最后找到問題的所在，就糾正了過來。由于這個模塊是我最先進行的，所以開始的時候我并沒有給每個按鍵定義相應的功能，每個按鍵的功能我都是定義為每次按下對相應的LED進行取反操作，在之后的設計中，再在相應的按鍵確認語句下增加入相應的功能，這也是模塊化程序設計的一個體現(xiàn)。

四位的數(shù)碼管采用的是動態(tài)顯示模式，刷新頻率為50Hz，另外，由于開發(fā)板的硬件采用的是移位寄存器送筆段碼，所以在軟件設計方面要用到將8位筆段碼不斷循環(huán)右移，增加了設計的難度。起初我認為一切程序都編寫得差不多的時候，燒進芯片的程序使數(shù)碼管顯示一片模糊，基本上顯示的都是8，后來從程序的開始查起，終于找到原因，原來動態(tài)顯示程序中，每次只能是一位的數(shù)碼管點亮，但在程序設計中，在點亮下一位數(shù)碼管時，忘記了將上一次點亮的位給關掉，導致四位數(shù)碼管時同時被點亮的，最后，在點亮數(shù)碼管前首先將四位數(shù)碼管全部關閉，再以50Hz的頻率進行點亮刷新，顯示方回到正常狀態(tài)。

最后就是在這兩個模塊的基礎上來對整體的程序進行相關的調(diào)試和完善。例如在原先設置有當進入時間設置或者鬧鐘掛起時有LED點亮進行提示，設置時間時相關的設置超過相應的極限值，這些在最后的調(diào)試過程中得到完善，使其工作在正常的狀態(tài)，調(diào)試過程也就這樣基本得到完成。

五、結論

這次的課程設計基本上完成了任務書中所提出的要求。最終的成品具有如下功能：

通過數(shù)碼管動態(tài)掃描的工作方式實現(xiàn)時分秒年月日星期的顯示，利用鍵盤實現(xiàn)利用四位數(shù)碼管可以進行如上時間的自由切換，時鐘具有時間設置和隨時的校準功能。有三組可隨意設置打開或者關閉的鬧鐘，鬧鐘匹配時有蜂鳴器響和LED閃爍兩種方式進行提醒。利用串口可以輸出當前時間和被掛起的鬧鐘。

綜上所述，本次的課程設計達到預期的設計要求。

六、小結與討論

通過為期一個星期以來的單片機課程設計，感覺自己在這么的一個過程下來，還是很有收獲的。這個設計的題目老師是在亞運放假之前就給我們的，我知道老師是希望我們用亞運放假的時間去思考、去準備的過程。

從暑假以來，我就利用暑假空閑的時間，來自學ARM7TDMI-S內(nèi)核的一款芯片LPC2103，其與單片機相識的一些功能我都有涉及性的學習過了，在9月份，我買了它的開發(fā)板，進行相關的實踐性學習。基于上述的原因，所以這次的課程設計我就想用這款LPC2103的芯片開進行這次的課程設計，也是對我之前的學習的一種檢驗。以前用開發(fā)板學習的時候，都是針對其的單獨一個功能進行相關程序的設計，而這次的課程設計會涉及比較多的功能模塊的綜合應用，所以，開始的時候有點摸不著頭腦的感覺。最后經(jīng)過幾番的思考，我就決定，針對每一個模塊，一個個進行攻破，最終實現(xiàn)了多功能電子時鐘的全部的功能。

首先，我利用LPC2103的實時時鐘功能（RTC），先對其進行初始化，使其的時鐘跑起來，在這個基礎上，我最先是開始鍵盤模塊的設計，這就涉及到：鍵盤掃描，鍵盤去抖動，鍵盤判斷相關的問題，最后經(jīng)過兩天的編程，設計，調(diào)試，思考才把鍵盤模塊的問題順利地解決了。從最初的模型規(guī)劃，到具體功能的實現(xiàn)，直到最后的軟件設計和調(diào)試過程，每一個環(huán)節(jié)都讓我加深了對實際問題的思考，有利于自己動手能力的提高。

這次的課程設計讓我學會了系統(tǒng)地去解決一個實際的問題，了解到了單片機設計的基本步驟、開發(fā)設計過程中需要注意的問題、學會處理調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題.，學會了巧妙運用模塊化設計的思想，在整個的程序化設計過程中，學會將功能細化，分成一個小功能來實現(xiàn)，在設計好一個功能之后，再在這個基礎上去增加其他的功能，最后完成整個多功能電子時鐘的設計?？傊?，通過這次的課程設計，檢驗了我所學習的知識，使我將平時書本上的理論知識與實踐很好地結合起來，利于加深對理論知識的理解和提高自己的實際動手操作能力。

七、參考文獻

1、《ARM微控制器基礎與實戰(zhàn)》 出版社：北京航空航天大學出版社 2005年

2、《ARM7易學通》 出版社：人民郵電出版社 2006年

3、《EasyARM2103教材》 出版社：北京航空航天大學出版社 2008年

4、《新編單片機原理與應用》 出版社：西安電子科技大學出版社 2007年

5、《新編單片機原理與應用實驗》 出版社：西安電子科技大學出版社 2005年

附錄：

開發(fā)板實物圖