1.按键分类与输入原理

按键按照结构原理科分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关灯;另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。

在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其他按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入时与软件结构密切相关的过程。

对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无将按键输入，并检查是哪一个按键按下，将该键号送人累加器，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完成后再返回主程序。

2.按键结构与特点

微机键盘通常使用机械触点式按键开关，其主要功能式把机械上的通断转换为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便于通用数字系统的逻辑电平相容。机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定的时间触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如下图1所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5-10ms。在触点抖动期间检测按键的通与断，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放错误的被认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服你、按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取消抖措施。按键较少时，可采用硬件消抖;按键较多式，采用软件消抖。

(1)按键编码

一组按键或键盘都要通过I/O口线查询按键的开关状态。根据键盘结构的不同，采用不同的编码。无论有无编码，以及采用什么编码，最后都要转换成为与累加器中数值相对应的键值，以实现按键功能程序的跳转。

(2)键盘程序

一个完整的键盘控制程序应具备以下功能：

a.检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施消抖。

b.有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，期间对任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。

c.准确输出按键值(或键号)，以满足跳转指令要求。

3.独立按键与矩阵键盘

(1)独立按键

单片机控制系统中，如果只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。

独立按键式直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点式每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其他I/O口线的状态。独立按键的典型应用如图所示。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一个I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。独立按键如图2所示。

独立按键的软件常采用查询式结构。先逐位查询没跟I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。

(2)矩阵键盘

单片机系统中，若使用按键较多时如电子密码锁、电话机键盘等一般都至少有12到16个按键，通常采用矩阵键盘。

矩阵键盘又称行列键盘，它是用四条I/O线作为行线，四条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为4*4个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。

矩阵键盘的工作原理

最常见的键盘布局如图3所示。一般由16个按键组成，在单片机中正好可以用一个P口实现16个按键功能，这也是在单片机系统中最常用的形式，4*4矩阵键盘的内部电路如图4所示。

当无按键闭合时，P3.0~P3.3与P3.4~P3.7之间开路。当有键闭合时，与闭合键相连的两条I/O口线之间短路。判断有无按键按下的方法是：第一步，置列线P3.4~P3.7为输入状态，从行线P3.0~P3.3输出低电平，读入列线数据，若某一列线为低电平，则该列线上有键闭合。第二步，行线轮流输出低电平，从列线P3.4~P3.7读入数据，若有某一列为低电平，则对应行线上有键按下。综合一二两步的结果，可确定按键编号。但是键闭合一次只能进行一次键功能操作，因此须等到按键释放后，再进行键功能操作，否则按一次键，有可能会连续多次进行同样的键操作。

识别按键的方法很多其中，最常见的方法是扫描法

按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无按键按下时处在高电平。如果所有的列线都处在高电平，则按键按下与否不会引起行线电平的变化，因此必须使所有列线处在电平。这样，当有按键按下时，改键所在的行电平才回由高变低。才能判断相应的行有键按下。

独立按键数量少，可根据实际需要灵活编码。矩阵键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，因此可以分别对行号和列号进行二进制编码，然后两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。

4.键盘的工作方式

对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系统中的CPU的工作状况而定，其选取的原则是既要保证CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常键盘的工作方式有三种，编程扫描、定时扫描和中断扫描。

(1)编程扫描方式

编程扫描方式是利用CPU完成其它工作的空余时间，调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。

(2)定时扫描方式

定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间(例如10ms)的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断。CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有按键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。

(3)中断扫描方式

上述两种键盘扫描方式，无论是否按键，CPU都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此，CPU经常处于空扫描状态。

为提高CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无按键按下时，CPU处理自己的工作，当有按键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。

排阻的阻值读取

在三位数字中，从左至右的第一、第二位为有效数字，第三位表示前两位数字乘10的N次方（单位为Ω）。如果阻值中有小数点，则用“R”表示，并占一位有效数字。例如：标示为“103”的阻值为10&TImes;10=10kΩ；标示为“222”的阻值为2200Ω即2.2kΩ；标示为“105”的阻值为1MΩ。需要注意的是，要将这种标示法与一般的数字表示方法区别开来，如标示为220的电阻器阻值为22Ω，只有标志为221的电阻器阻值才为220Ω。

标示为“0”或…000”的排阻阻值为OΩ，这种排阻实际上是跳线（短路线）。

一些精密排阻采用四位数字加一个字母的标示方法（或者只有四位数字）。前三位数字分别表示阻值的百位、十位、个位数字，第四位数字表示前面三个数字乘10的N次方，单位为欧姆；数字后面的第一个英文字母代表误差（G=2％、F=1％、D=0.25％、B=O.1％、A或W=0.05％、Q=0.02％、T=0.01％、V=0.005％）。如标示为“2341”的排阻的电阻为234&TImes;10=2340Ω。

排阻的作用

内存芯片下方均匀分布的“芝麻粒”，实际上是位于内存颗粒和金手指之间的“排阻”。排阻，是一排电阻的简称。我们知道，内存在处理、传输数据时会产生大小不一的工作电流。而在内存颗粒走线的必经之处安装一排电阻，则能够帮助内存起到稳压作用，让内存工作更稳定。从而提升内存的稳定性，增强内存使用寿命。而你说的内存右边角上的“小绿豆”。我们一般称之为SPD。SPD是一存储体，它存储了厂商对内存的详细配置信息：如内存的工作电压，位宽，操作时序等。每次开机后自检时，系统都会首先读取内存SPD中的相关信息，来自动配置硬件资源，以避免出错。上拉、限流。和普通电阻一样，相比而言简化了PCB的设计、安装，减小空间，保证焊接质量。

排阻引脚说明

有的还有一个公脚，就是为了方便使用，拿万用表量一下就会发现所有脚对公共脚的阻值均是标称值，除公共脚外其它任意两脚阻值是标称值的两倍，很明显任意两脚通过公共脚脚串联的嘛！用在有很多上下拉电阻的场合应用特方便，比如并行通讯线上，还节省空间。

51单片机最小系统排阻作用

起上拉作用：

上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平，电阻同时起限流作用，下拉同理。上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流，弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分，对于非集电极（或漏极）开路输出型电路（如普通门电路）提升电流和电压的能力是有限的，上拉电阻的功能主要是为集电极开路输出型电路输出电流通道。

另外其他I/O口都是准双向口且都有驱动能力，P0口也是准双向口但是驱动能力小，加排阻说白了就是给P0加驱动电路，电源通过排阻向P0口供电，使其能够驱动与P0口相连的元件。

先找出排阻的公共端。公共端在排阻标有小白点的一侧。也可以用万用表电阻档测量一下，任意选择一端，测量该端与其余引脚的电阻，若个引脚的电阻相等，该端为公共端，否则，另一端为公共端。公共端连接单片机电源，其它引脚分别连接单片机IO口。具体焊接方法与焊接普通电阻一样，只是引脚多一点而已。可先焊接两端，定位后，再焊接中间引脚。

如图：带点的一端为排阻的公共端。

根据数据手册列出的电流消耗规格来比较和选择低功耗单片机（MCU）是一项比较困难的任务。在大多数情况下，选择MCU的开发人员会先初步看看数据手册第一页，作为快速获得器件信息的参考点，其中包括外设、运行速度、封装信息、GPIO引脚数量和供电特性等。这种方法对于获得器件的整体性能很有效，但是在评估低功耗特性时却不实用。

为了对低功耗操作有全面了解，开发人员还要考虑电流消耗、状态保持、唤醒时间、唤醒源，以及低功耗模式下可运行的外设等。开发人员在相同操作模式下对比同类低功耗MCU，以获得客观的逐项比较结果。另外，易用的评估工具也非常重要，因为能评估整体系统功耗的额外功能和外设，使工程师的工作更加容易。

MCU供应商通常会在数据手册第一页列出最低功耗值。虽然器件可能实现数据手册中提到的规格，但是实际的操作模式可能在应用中不一致。某些不利的低功耗特性并未列出，包括极慢的唤醒时间、无状态保持或RAM保持功能，或者操作电压范围缩小。为了深入了解各种低功耗特性，开发人员需定义相同的操作模式，其中包括两部分：电气规格和低功耗功能。

电气规格比较

电气性能规格罗列在数据手册中，通过仔细研究才能判断哪种规格更加重要。通常电气规范依据供应商定义的电源模式组织分类，这将使评估更加困难，因为需要熟悉每种电源模式的功能。一般情况下，定义一系列操作条件并对应到一种电源模式更有意义。例如，开发人员可能会定义下面一组操作条件：

• 状态保持和RAM保持条件下的休眠模式电流消耗

o 所有其他外设禁用

• RTC启用且状态保持和RAM保持条件下的休眠模式电流消耗

o RTC启用，所有其他外设禁用

• 唤醒时间

• 供电电压范围

　　一旦操作条件有明确的定义，那么就很容易判定属于何种电源模式。

　　额外的低功耗特性

第二部分是低功耗特性，这在供应商文档中很难找到，其散布在数据手册和参考手册中。低功耗功能的示例包括：

• 可用的唤醒源。

• 如何恢复代码执行。

• 在休眠模式下可操作的外设。

一旦相同的操作模式明确定义，开发人员可以开始研究文档中的更多细节。

经过收集数据的过程之后，还可以通过MCU相关的特性针对应用进一步降低功耗。这些特性优化可以减少BOM成本、提供更长的产品生命周期或者提供更好的设计灵活性。例如，片上DC-DC转换器能够有效为系统提供电能，从而减少功耗，并且允许使用更小的电池、降低整体BOM成本，或者提高功率预算的灵活性。多种唤醒源可以提升设计灵活性，允许MCU尽量停留在最低功耗模式，进一步降低应用的平均电流消耗。

开发人员的另一种优化方式是允许固件改变片内电源电压范围。当MCU在低频率下运行时，可以减少供电电压，从而节省功耗。可选的时钟门控使硬件模块与活动电路断开连接，从而避免不工作的外设消耗电能。以上特性没有列举在衡量低功耗MCU的供电电流规格中，但其实是实现最低整体系统功耗的关键。

使用工具降低设计复杂度

为实现最低功耗，MCU具有越来越高的配置度，但是也导致设计越来越复杂。为了应对增加的复杂性，开发人员应当关注MCU的评估平台和易于实现的解决方案。例如，用于编程MCU的开发板和软件工具应当是直观和方便使用的。使用不便的硬件将增加固件开发难度。而从固件的角度来看，MCU供应商应该提供可以实现数据手册上规格的固件示例。如果列举的电流消耗规格无法在评估板上实现，那在定制的硬件上配置MCU来获得这些数据更加困难。为客户提供可用于代码开发起点的各种代码示例能够帮助工程师更好的学习如何使用器件，并加快产品上市时间。

图形化配置工具能够辅助开发，帮助开发人员更深入的理解MCU。在开发低功耗应用时，需要了解整体功耗的分布。只有熟悉这些信息，才能明确哪些设计可以进一步优化，也能更好理解整体架构。理想情况下，低功耗配置工具能够给出进一步降低功耗的提示，也包括配置过程中检测到的任何配置错误。例如，Silicon Labs AppBuilder图形配置工具中的功耗评估器能够显示提供配置指导的功耗提示，并且也提供功耗预算的饼图，显示有多少电能消耗，以及哪些外设正消耗电能;当配置更改时，饼图将自动更新。

为了简化MCU的比较过程，下表中列出几种常见操作模式，以及Silicon Labs基于ARM Cortex-M3内核的SiM3L1xx MCU系列产品可提供的系统级优化功能和开发工具。

小结

为低功耗应用评估和选择MCU，仅了解数据手册第一页是远远不够的。开发人员深入分析器件的供电电流规格，由此决定哪个MCU可提供最低整体系统功耗，以及减少整体电源电流的系统级优化功能。

通常各个MCU供应商指定的操作条件不同，在一些情况下，列出的低功耗数据仅出现在不实用的模式中。在相同操作模式下对比MCU将避免开发人员被供应商宣称的超低功耗数据所误解。

一旦理解和确定器件的电气特性，开发人员还应关注合适的评估平台和软件工具。MCU的选择过程中需要考虑以上因素，因为这对于工程团队的快速运作非常重要。

Silicon Labs公司单片机产品经理Evan Schulz

Evan Schulz是Silicon Labs公司单片机产品经理，专注于公司的32位单片机系列产品，此前担任公司MCU团队应用工程师。Evan先生于2008年作为助理应用工程师加入 Silicon Labs公司。他拥有德克萨斯州大学奥斯汀分校的电机工程学士学位。

单论单片机硬件系统设计解决方案，一般从三个方面分析：优选设计方案、增加冗余和容错率、采用硬件抗干扰。本文详细的介绍了优化这三个方面对单片硬件可靠性带来的好处。

1、选优设计

在系统硬件设计和加工时，应该选用质量好的接插件，设计好工艺结构;选用合格的元器件，进行严格的测试、筛选和老化;设计时技术参数(如负载)要留有一定的余量或降额使用元器件;提高印制板和组装的质量。

2、采用硬件抗干扰措施

来自供电系统以及通过导线传输、电磁耦合等产生的电磁干扰信号，是单片机系统工作不稳定的重要因素，在系统硬件设计时必须采取有效的干扰抑制措施。单片机应用系统中还常使用系统监视电路检测系统发生的错误或故障，自动报警或使系统自动恢复正常工作状态。如采用电源故障监视、看门狗定时器等采用89C51单片机和X25045组成的看门狗电路，X25045硬件连接图如图所示。X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。如图1所示电路中，CPU的复位信号共有3个：上电复位(C1、R2)，人工复位(S、R1、R2)和Watchdog复位(C2、R3)，通过或门综合后加到RESET端。C2、R3的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作。

看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。需要注意的是，在程序正常运行的时候，应该在适当的地方加一条喂狗指令，使系统正常运行时的定时时间达不到预置时间。系统就不会复位。

3、冗余与容错设计

保证单片机应用系统100%无故障是不可能的。容错是指当系统的某个部件发生故障时，系统仍能完全正常地工作，即给系统增加容忍故障的能力。为使系统具有 容错能力，必须在系统中增加适当的冗余单元，以保证当某个部件发生故障时能由冗余部件接替其工作，原部件修复后再恢复出错前的状态。硬件冗余设计可以在元 件级、子系统或系统级上进行。

4、指令冗余

CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。在程序的关键地方人为的插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余，通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP指令。这样即使跑飞程序飞到双字节指令和三字节指令操作数上。由于窄操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被错误地执行，为程序纳入正轨做好准备。此外，对系统流向起重要作用的指令，如RET、RETI、LCALI.、LJMP,JC等，可以在这些指令之后插入两条NOP指令，可将跑飞程序纳入正轨，以确保这些重要指令的执行。指令冗余只能使CPU不再将操作数当作操作码错误地执行，却不能主动地将程序的错误执行方向扭转过来，要想纠止程序的错误执行方向，就需要下面的技术。

5、设计软件“陷阱”

通常在程序存储器中未使用的EPROM空间填入窄操作指令NOP,最后再填入一条跳转指令，跳转到跑飞处理程序，或者直接填入指令LJMP 0000H,当跑飞程序落到此区域。即可在执行一段空操作后转入正轨。如果未使用的EPROM空间比较大，可以均匀地填入几条空操作指令和跳转指令，这种几条空操作指令加一条跳转指令的结构我们称之为“软件陷阱”.

软件陷阱的一般结构为：
NOP
NOP
LJMP FLY

FLY为跑飞处理子程序，如果程序正常执行，软件陷阱部分是永远也执行不到的，只有在程序跑飞到陷阱里，软件陷阱会立刻将程序跳转到正常轨道。即使程序没有跑飞到陷阱里，也可以在程序执行一段错误操作后遇到一个软件陷阱，从而转入正轨。除了程序存储器的空白区域，程序的数据表结尾也应该设置软件陷阱，如果数据表比较大，应该在数据表的中间也设置软件陷阱，以保证程序跑飞到数据区能及时转入正轨。另外，如果程序存储器的空间足够大的话，可以在每两个子程序中间设 置一个软件陷阱。当使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，能及时捕获错误的中断。软件陷阱的数量要根据实际受到干扰的情况和程序存储器的容量来确定，如果太少不能进行有效的跑飞拦截，如果太多又会占用大量的程序存储器空间。

6、软件“看门狗”技术

跑飞的程序在执行一些错误操作之后，经常会进入“死循环”，也就足常说的“死机”。通常采用“软件看门狗”技术使程序脱离“死循环”，软件“看门狗”技术的原理是通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需要进行出错处理。在实际应用中，通常用定时中断服务程序定时地检查主程序的运行情况。例如，在RAM区选择一个字节作为软件看门狗寄存器，主程序每循环一次将该寄存器加l,定时器TO的中断服务程序每中断一次将该寄存器减l并检查一次，如果程序执行正常。看门狗寄存器不会改变或改变不大，如果看门狗寄存器发生了改变或改变很大，则说明系统陷入“死循环”。需要进行出错处理。在工业应用中，严重的干扰有时会破坏中断方式控制字，关闭中断，造成看门狗失效，这时可以采用环形中断监视系统。用定时器TO监视定时器Tl,用定时器Tl监视丰程序，主程序监视定时器T0。

采用这种环形结构的软件“看门狗”具有良好的抗干扰性能，大大提高了系统可靠性。对于需经常使用Tl定时器进行串口通讯的测控系统，则定时器Tl不能进行中断，可改由串口中断进行监控。当然，对主程序最大循环周期、定时器T0和Tl定时周期应于全盘合理考虑。软件“看门狗”技术需要使用定时器，而在大多数的控制程序中，定时器都是紧俏的资源。这就使“软件看门狗”技术的实际应用受到了限制，我们可以采取一些技巧性的处理，将软件“看门狗”程序与其它定时程序复用同一个定时器，这样既完成定时功能又完成软件“看门狗”的功能。

7、检查RAM区标志数据及时发现严重干扰

这种方法是在RAM区中选择几个固定单元，在初始化程序中将其设置成固定的数据，只要程序正常运行，这些单元的内容是不会改变的。如果因为程序“跑飞”或其它干扰导致这些RAM单元中的任何单元的数据发生了变化，说明单片机系统已经受到了严重的干扰，不能可靠地运行下去了。我们可以在程序执行的过程中适时地检查这些RAM单元的内容，一旦发现有数据改变，立刻执行LJMP 0000 H语句，强制单片机复位。

8、刷新输出端口

排除严重干扰，当单片机系统受到严重干扰时，输出端口的状态也可能因干扰而改变，在程序的执行过程中适时地根据相关程序模块的运算结果刷新输出端口，可以排除干扰对输出端口状态的影响，使错误的输出状态及时得到纠正。

9、进行多次输入采样

避免严重干扰，强烈的干扰会影响单片机的输入信号，造成输入信号瞬间采样的误差或误读，要避免干扰的影响，通常采取重复采样，加权平均的方法。

总结

提高单片机应用系统的可靠性要从软硬件入手，提高系统的自身防御行为，以上所提到几种提高可靠性的方法，都不是单独使用的，只有根据实际情况将这些方法有效地结合起来，才能达到最佳抗干扰效果，使我们的单片机系统稳定可靠地工作。当然，单片机系统运行的可靠性也会受其他不确定因素的干扰。

MCS—51系列单片机内部只有两个外部中断源输入端，当外部中断源多于两个时，就必须进行扩展，下面介绍两种简单的扩展方法：

一、采用硬件请求和软件查询的方法：

这种方法是：把各个中断源通过硬件“或非(高有效，如CD4002)”(与，低有效)门引入到单片机外部中断源输入端(INT0或INT1)，同时再把外部中断源送到单片机的某个输入输出端口，这样当外部中断时，通过“或非”(与)门引起单片机中断，在中断服务程序中再通过软件查询，进而转相应的中断服务程序。显然，这种方法的中断优先级取决于软件查询的次序。其硬件连接和软件编程如下：

Void zhongduan (void) interrupt 0 using 3 //中断函数

{

EX0=0;//关中断

If(P0_0=1) { *****}//中断查询

If(P0_1=1) { *****}//中断查询

If(P0_2=1) { *****}//中断查询

EX0=1;开中断

}

二、用普通二极管构成中断选择

有点类似第一种方法。

三、用定时器/计数器作外部中断

单片机的定时器/计数器是一个加一计数器，每当计数输入端有一个“1—0”的负跳变时，计数器加一，当加一计数器溢出时，就向CPU发出中断，利用这个特性来扩展中断的方法是：首先把定时器/计数器设置成计数方式，并预置满值，把外部中断源输入到P3口第4引脚或第5引脚(计数器输入端)，这样就可以利用定时器/计数器作为单片机外部中断了。注意这种方法的中断服务的入口地址应在000BH或001BH。

四、用专用中断扩展芯片8259A

8259A是可编程中断控制接口，单片机控制八级中断。在系统中还可采用级联方式，一个主片可级联8个从片，构成64级中断处理系统。

这样在程序小于8K的情况，就可以用一片单片机实现了，而不需要用两片单片机控制，还要进行单片机点对点通讯。