基于ARM7 TDMI-S CPU的LPC2103的多功能电子钟

上图给出了一个简单按键状态机的状态转换图。在图中，将一次按键完整的操作过程分解为3个状态，采用时间序列周期为10ms。下面对该图做进一步的分析和说明，并根据状态图给出软件的实现方法。首先，要充分体会时间序列的作用。在这个系统中，采用的时间序列周期为10ms，它意味着，每隔10ms检测一次按键的输入信号，并输出一次按键的确认信号，同时按键的状态也发生一次转换。图中“状态0”为按键的初始状态，当按键输入为“1”时，表示按键处于开放，输出“0”（1/0），下一状态仍旧为“状态0”。当按键输入为“0”，表示按键闭合，但输出还是“0”（0/0）（没有经过消抖，不能确认按键真正按下），下一状态进入“状态1”。“状态1”为按键闭合确认状态，它表示了在10ms前按键为闭合的，因此当再次检测到按键输入为“0”时，可以确认按键被按下了（经过10ms的消抖），输出“1”表示确认按键闭合（0/1），下一状态进入“状态2”。而当再次检测到按键的输入为“1”时，表示按键可能处在抖动干扰，输出为“0”（1/0），下一状态返回到“状态0”。这样，利用状态1，实现了按键的消抖处理。“状态2”为等待按键释放状态，因为只有等按键释放后，一次完整的按键操作过程才算完成。从对上图的分析中可以知道，在一次按键操作的整个过程，按键的状态是从“状态0”->“状态1”->“状态2”，最后返回到“状态0”的。并且在整个过程中，按键的输出信号仅在“状态1”时给出了唯一的一次确认按键闭合的信号“1”（其它状态均输出“0”）。所以上面状态机所表示的按键系统，不仅克服了按键抖动的问题，同时也确保在一次按键整个的过程中，系统只输出一次按键闭合信号（“1”）。换句话讲，不管按键被按下的时间保持多长，在这个按键的整个过程中都只给出了一次确认的输出，因此在这个设计中，按键没有“连发”功能，它是一个最简单和基本的按键。一旦有了正确的状态转换图，就可以根据状态转换图编写软件了。在软件中实现状态机的方法和程序结构通常使用多分支结构（IF-ELSEIF-ELSE、CASE等）实现。下面是根据上图、基于状态机方式编写的简单按键接口函数GetKey()。

该简单按键接口函数GetKey()在整个系统程序中应每隔10ms调用执行一次，每次执行时进入用switch结构构成的状态机。switch结构中的case语句分别实现了3个不同状态的处理判别过程，在每个状态中将根据状态的不同，以及key4的值（状态机的输入）确定输出值（keyreturn），和确定下一次按键的状态值（keystate）。函数GetKey()的返回参数提供上层程序使用。返回值为0时，表示按键无动作；而返回1表示有一次按键闭合动作，需要进入按键处理程序做相应的键处理。在函数GetKey()中定义了2个局部变量，其中keyreturn为一般普通的局部变量，每次函数执行时，keyreturn为函数的返回值，总是先初始化为0，只有在状态1中重新置1，作为表示按键确认的标志返回。变量keystate非常重要，它保存着按键的状态值，该变量的值在函数调用结束后不能消失，必须保留原值，因此在程序中定义为“局部静态变量”。通过对按键的扫描程序后，就知道了哪一个独立键盘的按键被按下了，通过void keysure()函数来定义每一个按键的功能。

中断优先级的定义：

       LPC2103的向量中断控制器VIC（Vectored Interrupt Controller）具有32个中断请求输入。可将这些中断编程分为3类：FIQ、向量IRQ、非向量IRQ。其中快速中断请求FIQ（Fast Interrupt reQuest）具有最高的优先级。向量IRQ（Vectored IRQ）具有中等优先级。该级别可分配32个中断请求中的16个。32个请求中的任意一个都可分配到16个向量IRQ slot中的任意一个，其中slot0具有最高优先级，而slot15则为最低优先级。非向量IRQ（Non-vectored IRQ）的优先级最低。

       在这个多功能时钟的程序设计中，使用了两个中断都是分配为向量IPQ。定时器1作为时钟的基准计数时钟，有最高的优先级；定时器2分配为下一个优先级。相关的语句设置如下：

VICVectCntl0 = 0x20 | 5;                                        /*  定时器1分配为向量IRQ通道0 */

VICVectAddr0 = (UINT32) Timer1ISR;                    /*  分配中断服务程序地址0       */

VICVectCntl1 = 0x20 | 26;                                      /*  定时器2分配为向量IRQ通道1 */

VICVectAddr1 = (UINT32) Timer2ISR;                    /*  分配中断服务程序地址1       */

VICIntEnable = 1 << 26;                                   /*  定时器2中断使能            */

VICIntEnable = 1 << 5;                                 /*  定时器1中断使能             */

四、调试过程

由于这次的设计使用的是LPC2103的开发板，所以在硬件上不需要太多的去调试。在利用开发板硬件资源的基础上，由于这次的多功能闹钟设计使用的模块较多，基本上各个模块的调试是分开进行的。主要包括初始化的程序调试、按键子程序调试、LED显示调试这几部分子程序的调试。将这三部分调试成功，那么整个设计的软件部分也就基本完成了。在该课程设计中，采用的集成开发环境是uVision，在软件设计过程中，有时候不小心插入了一个中文的符号（如分号），就会使软件编译不通过，开始在这个错误上浪费不少时间，但后来注意到了这个情况，避免了类似的错误的发生。

       我首先进行的是键盘扫描模块的程序设计及调试。该模块主要由按键的状态确认函数（UINT8 GetKey()）和按键确认函数（void keysure()）共同完成。按键的状态函数主要是由一个返回值来确认按键的状态，开始的时候，由于缺少一个语句：keyreturn=0;即每次进入函数的时候要将按键的状态清零，导致按键在一次按下之后就出现了不正常的情况，最后找到问题的所在，就纠正了过来。由于这个模块是我最先进行的，所以开始的时候我并没有给每个按键定义相应的功能，每个按键的功能我都是定义为每次按下对相应的LED进行取反操作，在之后的设计中，再在相应的按键确认语句下增加入相应的功能，这也是模块化程序设计的一个体现。

       四位的数码管采用的是动态显示模式，刷新频率为50Hz，另外，由于开发板的硬件采用的是移位寄存器送笔段码，所以在软件设计方面要用到将8位笔段码不断循环右移，增加了设计的难度。起初我认为一切程序都编写得差不多的时候，烧进芯片的程序使数码管显示一片模糊，基本上显示的都是8，后来从程序的开始查起，终于找到原因，原来动态显示程序中，每次只能是一位的数码管点亮，但在程序设计中，在点亮下一位数码管时，忘记了将上一次点亮的位给关掉，导致四位数码管时同时被点亮的，最后，在点亮数码管前首先将四位数码管全部关闭，再以50Hz的频率进行点亮刷新，显示方回到正常状态。

       最后就是在这两个模块的基础上来对整体的程序进行相关的调试和完善。例如在原先设置有当进入时间设置或者闹钟挂起时有LED点亮进行提示，设置时间时相关的设置超过相应的极限值，这些在最后的调试过程中得到完善，使其工作在正常的状态，调试过程也就这样基本得到完成。

五、结论

       这次的课程设计基本上完成了任务书中所提出的要求。最终的成品具有如下功能：

通过数码管动态扫描的工作方式实现时分秒年月日星期的显示，利用键盘实现利用四位数码管可以进行如上时间的自由切换，时钟具有时间设置和随时的校准功能。有三组可随意设置打开或者关闭的闹钟，闹钟匹配时有蜂鸣器响和LED闪烁两种方式进行提醒。利用串口可以输出当前时间和被挂起的闹钟。

       综上所述，本次的课程设计达到预期的设计要求。

六、小结与讨论

    通过为期一个星期以来的单片机课程设计，感觉自己在这么的一个过程下来，还是很有收获的。这个设计的题目老师是在亚运放假之前就给我们的，我知道老师是希望我们用亚运放假的时间去思考、去准备的过程。

       从暑假以来，我就利用暑假空闲的时间，来自学ARM7TDMI-S内核的一款芯片LPC2103，其与单片机相识的一些功能我都有涉及性的学习过了，在9月份，我买了它的开发板，进行相关的实践性学习。基于上述的原因，所以这次的课程设计我就想用这款LPC2103的芯片开进行这次的课程设计，也是对我之前的学习的一种检验。以前用开发板学习的时候，都是针对其的单独一个功能进行相关程序的设计，而这次的课程设计会涉及比较多的功能模块的综合应用，所以，开始的时候有点摸不着头脑的感觉。最后经过几番的思考，我就决定，针对每一个模块，一个个进行攻破，最终实现了多功能电子时钟的全部的功能。

       首先，我利用LPC2103的实时时钟功能（RTC），先对其进行初始化，使其的时钟跑起来，在这个基础上，我最先是开始键盘模块的设计，这就涉及到：键盘扫描，键盘去抖动，键盘判断相关的问题，最后经过两天的编程，设计，调试，思考才把键盘模块的问题顺利地解决了。从最初的模型规划，到具体功能的实现，直到最后的软件设计和调试过程，每一个环节都让我加深了对实际问题的思考，有利于自己动手能力的提高。

       这次的课程设计让我学会了系统地去解决一个实际的问题，了解到了单片机设计的基本步骤、开发设计过程中需要注意的问题、学会处理调试过程中出现的问题.，学会了巧妙运用模块化设计的思想，在整个的程序化设计过程中，学会将功能细化，分成一个小功能来实现，在设计好一个功能之后，再在这个基础上去增加其他的功能，最后完成整个多功能电子时钟的设计。总之，通过这次的课程设计，检验了我所学习的知识，使我将平时书本上的理论知识与实践很好地结合起来，利于加深对理论知识的理解和提高自己的实际动手操作能力。

七、参考文献

1、《ARM微控制器基础与实战》      出版社：北京航空航天大学出版社           2005年

2、《ARM7易学通》                         出版社：人民邮电出版社                         2006年

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

4、《新编单片机原理与应用》           出版社：西安电子科技大学出版社           2007年

5、《新编单片机原理与应用实验》    出版社：西安电子科技大学出版社           2005年

       附录：

开发板实物图