8096系列單片機與觸摸屏芯片的接口設(shè)計與實現(xiàn)

　　隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異， 人類對文明生活需求的進步， 帶來對電能的需求越來越高， 也帶來了對電力系統(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設(shè)備受到各方面的密切關(guān)注。在市場上各種各樣的電力檢測設(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友好界面功能及檢測的設(shè)備很少有報道， 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無線通信功能的配電變壓器智能檢測設(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設(shè)備的可操作性， 使用GPRS無線通信提高設(shè)備的先進性、滿足現(xiàn)代信息社會的管理需求， 使其具有一定獨特優(yōu)勢， 能夠占領(lǐng)一定的市場領(lǐng)域。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計

　　系統(tǒng)的核心是采用先進的INTEL96 系列16 位單片機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)動電路MAX232外接GPRS模塊等， 組成結(jié)構(gòu)簡單、功能完整、擴充性強、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)、邏輯運算的任務(wù)， 該單片機具有豐富的軟硬件資源及運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。

　?。?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、控制信號總線驅(qū)動及邏輯電平轉(zhuǎn)換、片選信號發(fā)生等， 它有144個宏單元3200 個邏輯門， 100個管腳，81數(shù)據(jù)輸入輸出腳， 4個在線編程腳， 可以完成10000次的在線編程。

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

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

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

　?。?6） 62256靜態(tài)RAM 數(shù)據(jù)存儲器， 提供64KBy te的數(shù)據(jù)存儲空間， 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)置自動完成年月日時份秒的計算， 并可以實現(xiàn)鬧鐘， 它主要使系統(tǒng)能夠定時采集數(shù)據(jù)。

　?。?8） CAN屬于總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)， 具有很強的糾錯能力， 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。在系統(tǒng)中我們采用了SJA1000 芯片， 通過正確連接和設(shè)置的， 達到CAN 總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能的自動完成。

　　（ 9） 開關(guān)驅(qū)動電路： 主要是提供給各種開關(guān)電源、交直流電機調(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： 提供人機交互友好界面， 我們選擇了臺灣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， 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)都能達到預(yù)先設(shè)計的要求， 但幾次出現(xiàn)觸摸屏與單片機之間指令不執(zhí)行， 甚至燒壞了觸摸屏中的芯片ADS7843的問題。

　　2 硬件設(shè)計分析

　　根據(jù)硬件連接， 使用的單片機P3、P4口通過X ilinx95144與液晶顯示相連， 觸摸屏與單片機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單片機結(jié)構(gòu)

　　80196KB 是INTEL公司繼8位單片機以后推出的16 位單片機MCS_96 系列的產(chǎn)品之一，它與8位單片機相比提高了控制系統(tǒng)的實時性， 與現(xiàn)在的32位相比是真正意義上的單片機， 特別適用于各類自動控制系統(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)。具有程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的特點。它的P0口只能用于輸入， P1口是一個準(zhǔn)雙向口， P2 口是一個多功能口， 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FET管產(chǎn)生， 其中p1是強上拉， 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，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)時實際上是輸入到P1口寄存器中， 由寄存器去驅(qū)動管腳， 圖二上/Q 即為寄存器的輸出， CPU 讀數(shù)據(jù)時是直接讀管腳。因此在讀數(shù)據(jù)時要保證P1口為輸入狀態(tài)， 應(yīng)先對P1口寄存器SFR置位， 此時n截止。切記當(dāng)端口用作輸入口時， 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P1. x口的I/O口寄存器輸入數(shù)據(jù)是“0”時， 內(nèi)部寄存器的/Q輸出會打開下拉FET即n， 而關(guān)閉全部上拉FET即p1、p2、p3， 這時對應(yīng)輸出腳電平PORT PIN 為“0”; 當(dāng)指令對P1口的某一個I /O口寄存器輸入數(shù)據(jù)是“1”時， 內(nèi)部寄存器的/Q輸出會關(guān)閉n， 打開p1、p2、p3， 這時對應(yīng)輸出腳電平PORT PIN 為 “1”，即輸出是一個編程直接“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)可達上萬次， 管腳到管腳信號延遲7. 5ns， 工作頻率可達111MH z， 內(nèi)部有144個宏單元均是ROM 結(jié)構(gòu)， 掉電后內(nèi)部的邏輯數(shù)據(jù)不會丟失。每個I /O管腳在輸出狀態(tài)下： 高電平時典型值- 4mA， 低電平典型值24mA; 每個I /O管腳在輸入狀態(tài)下： 高、低電平時均為uA級。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， 不會出現(xiàn)驅(qū)動力不夠現(xiàn)象， 更不會出現(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。其特點主要是： 有較強功能的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位時精度達到0. 04mm， 可以達到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; 工作時鐘典型值2MH z即數(shù)量級是uS; 當(dāng)觸摸屏被按下時（ 即有觸摸事件發(fā)生） ，ADS7843會發(fā)出中斷請求。

　　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)的信號是DCLK、/CS、DIN、DOUT、BUSY、/PENIRQ，數(shù)據(jù)