來源：電源網(wǎng)

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(jìn)行測量，按鍵的種類很多，從機械結(jié)構(gòu)來分有機械接觸式的，導(dǎo)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(xiàn)觸點的通和斷，然后通過電路實現(xiàn)電氣上的邏輯通和斷，從而實現(xiàn)功能的控制，在現(xiàn)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(tài)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(jìn)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(dāng)有鍵按下時，按鍵閉合，鍵盤板產(chǎn)生一個中斷信號，CPU轉(zhuǎn)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(zhuǎn)入鍵盤處理程序，如果沒有，則執(zhí)行其他命令。

鍵盤掃描控制

當(dāng)鍵盤數(shù)目較多時，為了節(jié)省單片機的接口資源，應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)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(jìn)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(yīng)該安排在非中斷的常規(guī)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(chǎn)生中斷時調(diào)用，二是選用在鍵盤按下時會產(chǎn)生中斷的芯片。

在實際設(shè)計中我們采用了非編碼鍵盤，使用逐行掃描方式進(jìn)行鍵盤掃描。逐行掃描法的實現(xiàn)方法是：通過執(zhí)行鍵盤掃描程序?qū)︽I盤矩陣進(jìn)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(shù)據(jù)。若讀入的數(shù)據(jù)為全“1”，表示無鍵按下;只要讀入的數(shù)據(jù)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(jìn)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(jù)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(zhuǎn)入相應(yīng)的服務(wù)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(chǎn)生時斷時續(xù)的信號，使得高速的電子邏輯電路出現(xiàn)錯誤的結(jié)果，針對這種抖動現(xiàn)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(tài)，否則認(rèn)為是按鍵抖動，重新進(jìn)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(tǒng)設(shè)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(dá)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?fàn)顟B(tài)，旋鈕所占用的信號線既可能導(dǎo)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(xiàn)低電平，若旋鈕無動作時，旋鈕所占用的兩條列線的狀態(tài)不變，若旋鈕有動作時，旋鈕所占用的兩條列線的狀態(tài)會連續(xù)變化，且變化規(guī)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(zhuǎn)方向。對旋鈕，機械抖動問題很小。

鍵盤接口

在本系統(tǒng)設(shè)計中，由于串口通訊中要求發(fā)送和接受雙方必須遵守數(shù)據(jù)格式和時間限制等方面的統(tǒng)一規(guī)定，這樣才能保證正常進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)I/O口，分為行變量LINE[]、列變量COLUMN[]來實現(xiàn)鍵盤操作控制的，這樣進(jìn)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(zhǔn)、調(diào)試與測量

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(nèi)才能應(yīng)用，否則將帶來錯誤的計量結(jié)果。對于新制的或修理后的計量器具必須用適當(dāng)?shù)燃壍挠嬃繕?biāo)準(zhǔn)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(dāng)?shù)燃壍挠嬃繕?biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行周期檢定，另外有些計量器具必須借助適當(dāng)?shù)燃壍挠嬃繕?biāo)準(zhǔn)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。

常用儀器校準(zhǔn)方法

微波功率量值傳遞的關(guān)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(biāo)準(zhǔn)功率計和被校功率計交替接到穩(wěn)定的信號源上進(jìn)行校準(zhǔn)。這種方法的誤差較大，但簡單易行，在準(zhǔn)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(wěn)幅的低反射系數(shù)的等效信號源。當(dāng)采用調(diào)配措施后，可使等效信號源的反射系數(shù)小于0.005，減小失配誤差，然后用功率標(biāo)準(zhǔn)對其校準(zhǔn)，確定校準(zhǔn)系數(shù)后可作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，用來單獨校準(zhǔn)其他功率計。

③調(diào)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(zhǔn)確度，1960年開始采用反射計法進(jìn)行功率量值傳遞，利用調(diào)配反射計技術(shù)，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(fù)雜，技術(shù)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(tǒng)的“功率方程概念”，用傳輸?shù)膬艄β蔬@一基本實數(shù)參量替代電路理論中的復(fù)數(shù)行波波幅來分析和計算微波系統(tǒng)，放寬了對均勻波導(dǎo)，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(shù)的校準(zhǔn)系統(tǒng)。它測量兩個實數(shù)的失配因子，對失配誤差進(jìn)行精確修正，測量準(zhǔn)確度可達(dá)到±0.2%。在實際校準(zhǔn)測試過程中，我們選用的設(shè)計方法較為簡單的單定向耦合器直接比較法進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，從而生成校準(zhǔn)參數(shù)。

校準(zhǔn)調(diào)試功率校準(zhǔn)

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

通道校準(zhǔn)

我們在計算功率值時，是利用的A/D采樣得到的十六進(jìn)制表示的電壓值，為了獲得實際射頻信號經(jīng)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(yīng)關(guān)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(shè)計上我們在A/D之前加入AD8369(可變增益放大器)實現(xiàn)3dB步長的數(shù)字增益調(diào)節(jié)，所以擬合曲線根據(jù)不同衰減擋位進(jìn)行擬合。

設(shè)該功率計的測量范圍是-57dBm到+23dBm(頻率在10MHz～6GHz)的射頻信號。根據(jù)檢波模塊的特性可知，其向后端輸出電壓范圍是0.5V到2.5V，故先固定AD8369的衰減擋位，以4dbm為步進(jìn)(以得到較為明顯的電壓變化)從-57dBm到+23dBm分別測出其A/D采樣值V A/D與檢波器實際輸出值V T，然后用最小二乘法進(jìn)行直線擬合得到一條VA/D和VT之間關(guān)系直線。再調(diào)整AD8369的信號衰減參數(shù)，最后計算得到十六條VA/D和VT之間關(guān)系的擬合直線，這樣A/D采樣值才能較為真實的反應(yīng)輸入采樣通道的實際值，這為后面的功率測量值校準(zhǔn)提供先決條件。

功率測量值校準(zhǔn)

在功率計算中，關(guān)鍵部分是測量脈沖調(diào)制信號的峰值功率值。此時捕捉到的峰值僅僅是A/D采樣得到的十六進(jìn)制表示的電壓值。通過此時電壓和功率的對應(yīng)關(guān)系擬合出電壓值和功率值的曲線。

由前面的分析可知，經(jīng)峰值檢波后所得包絡(luò)的峰值與其相應(yīng)的峰值功率值成線性關(guān)系，所以以1dBm為步進(jìn)從-57dBm到+23dBm分別測出其A/D采樣值PA/D與實際功率值PW，然后用最小二乘法進(jìn)行直線擬合得到一條P A/D和P W之間關(guān)系直線：

頻率校準(zhǔn)部分

頻率校準(zhǔn)部分主要是校準(zhǔn)溫度對頻率的影響。在前面硬件部分講述過，溫度對頻率的影響主要是因為晶振的頻率受到溫度的影響，從而導(dǎo)致1秒門與實際有偏差。溫度的校準(zhǔn)也就是對門控的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)程序主要通過查表的方式對門控的溫度誤差進(jìn)行補償。通過試驗測得一組溫度點和門控誤差對應(yīng)的數(shù)據(jù)。讀取溫度傳感器讀取當(dāng)前溫度的環(huán)境溫度，查表獲得對應(yīng)點的門控誤差。在溫度點之間的溫度值通過曲線擬合的直線獲得此刻溫度的門控的誤差。

將門控誤差補償后，其中，freu為溫度補償前的頻率值，T d為溫度補償后的門控信號。則fre為補償后的實際頻率。

功率頻響校準(zhǔn)

功率的頻響進(jìn)行校準(zhǔn)是功率校準(zhǔn)主要部分。在設(shè)計中，以脈沖作為門控，對載波進(jìn)行計數(shù)，實現(xiàn)了在脈沖方式下對頻率的粗略測量。在得到信號的頻率后，功率的頻響校準(zhǔn)就可以根據(jù)測得的頻率值采用查表的方式進(jìn)行功率頻響校準(zhǔn)。功率受到的頻響并不恒定，在不同功率段的頻響并不完全一致。所以功率的頻響校準(zhǔn)表采用二維表格。根據(jù)功率段和頻率段共同因素決定功率補償?shù)南禂?shù)。所以在設(shè)計中對頻響誤差的補償采用插值法，先將功率計測量的功率范圍(-60dBm到20dBm)每隔4dBm取一個功率點di(i=0，1，2，……，10)，功率達(dá)到0dBm以上時，加入功率衰減。再對每個功率點d i從500MHz起到2.4GHz，每隔100KHz取一個點Dij(i=0，1，2，……，10，j=0，1，2，……，13)，分別測出Dij點的峰值功率值P W [i][j].同一功率點Dij在不同頻率處測得的PW[i][j]相對于1GHz處的PW存在著誤差E[i][j]：

E[i][j]= PW [i][j]- PW [i][5]。

這樣便可得到一個關(guān)于頻率j，功率PW [i][j]和誤差E[i][j]間的關(guān)系表。將以上所得的所有校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存入一個數(shù)據(jù)文件保存，供測量之用。測量時，首先根據(jù)式(5-1)將A/D采樣的數(shù)據(jù)換算成相應(yīng)的功率值PW。由頻率測量得到的信號頻率，由P W和查表得到相應(yīng)的頻響誤差E.由式(5-4)可知最終測得的峰值功率值PWR為：通過上述4部分的校準(zhǔn)所得校準(zhǔn)參數(shù)，制作校準(zhǔn)表，通過上位機調(diào)試軟件(或是功率分析儀自身鍵盤)輸入并保存在ARM的FLASH中。根據(jù)前文所述控制程序工作流程，每次測量結(jié)束后，功率計算。

調(diào)試結(jié)果

載波頻率輸入范圍選用AD8318對數(shù)檢波器，其最大輸入范圍1MHz～8GHz，在系統(tǒng)設(shè)計要求的10MHz～6GHz載波頻率輸入范圍內(nèi)，擁有良好的檢波精度和大動態(tài)范圍，滿足系統(tǒng)要求;測量功率范圍-60dBm～0dBm，功率測量精度±1dB，在0dBm～+20dBm范圍誤差相對較大，這是加入功率衰減部分，其引入的誤差使測量精度下降。由于開關(guān)固定衰減器在溫度穩(wěn)定性很好，但其插入器件較多，損耗較大，仍然需要改進(jìn)，該指標(biāo)基本滿足設(shè)計需求;頻率測量范圍10MHz～3GHz(由于原有固定分頻器損壞)，頻率測量精度≤±1KHZ，未達(dá)到要求仍需修改。

要求能捕獲的最小窄脈沖信號寬度為0.4us，功率探頭設(shè)計采用AD8318擁有高達(dá)8ns的響應(yīng)速度，能夠準(zhǔn)確檢測輸入窄脈沖功率變化;后端主機設(shè)計選用AD9480高速ADC，保證對檢波輸出電壓信號做準(zhǔn)確捕獲，經(jīng)測試達(dá)到設(shè)計要求。

審核編輯 黃昊宇