基于單片機(jī)的反應(yīng)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張奇

摘要：近年來(lái)單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)了傳統(tǒng)控制檢測(cè)不斷進(jìn)度。反應(yīng)測(cè)試儀就是其中之一，它能夠定量的測(cè)試人的反映速度。每個(gè)人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)外界刺激是不同的，所以每個(gè)人對(duì)不同事物的反應(yīng)時(shí)間是有差異的，利用這種儀器，可以在人才的選拔中起到積極的作用。例如在選擇體育運(yùn)動(dòng)員，雜技等對(duì)機(jī)敏素質(zhì)要求高的學(xué)員時(shí)， 反應(yīng)測(cè)試儀可以提供科學(xué)的數(shù)據(jù)作為參考，其潛在實(shí)用價(jià)值較大。該文以單片機(jī)技術(shù)為核心，以硬件為基礎(chǔ)，軟硬件相結(jié)合，設(shè)計(jì)介紹了一種簡(jiǎn)單反應(yīng)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；反應(yīng)測(cè)試儀；8255A、8279、8253芯片

中圖分類號(hào)：TP313 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）11-0235-03

Design and Implementation of Test Instrument Based on Single Chip Microcomputer

ZHANG Qi

（Department of Computer Science and Technology， Hefei University， Hefei 230601， China）

Abstract： The application of SCM is the continuous development in recent years， but also led to the continuous progress of traditional control detection. Reaction tester is one of them， it can test the quantitative response speed. The central nervous system to the outside stimulation of each person is different， so each reaction time on different things are different， the use of this instrument， can play a positive role in the selection of personnel. For example， in the selection of athletes， acrobatics and other high demands on the quality of smart students， reaction tester can provide scientific data for reference， its potential practical value. In this paper， In this paper， based on single chip microcomputer as the core， take the hardware as the foundation， combining software and hardware design， introduces the design of a simple reaction tester.

Key words： single chip microcomputer； reaction tester， 8279； 8255A， 8253 chip

1 功能分析及解決方案

1.1功能需求分析

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能測(cè)試一個(gè)人的反應(yīng)時(shí)間的儀器。為了能夠測(cè)試人的反應(yīng)時(shí)間，需要一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，即用戶可以分辨的啟動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)該啟動(dòng)信號(hào)反饋給系統(tǒng)，從而得到該用戶的反應(yīng)時(shí)間。給予用戶的刺激信號(hào)可是多種多樣，比如光信號(hào)、電信號(hào)、聲波信號(hào)、氣味等不同的信號(hào)。在控制端口，系統(tǒng)發(fā)出刺激信號(hào)反饋給用戶，用戶通過(guò)眼、耳、鼻等感覺(jué)器官得到刺激信號(hào)并迅速反饋給系統(tǒng)。系統(tǒng)接收端的接受反饋信號(hào)可以是光信號(hào)、電信號(hào)等不同的信號(hào)。通過(guò)不同芯片的工作將其信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)即可。

通過(guò)檢索大量資料、以及訪談?wù){(diào)查發(fā)現(xiàn)，實(shí)際生活中的反應(yīng)測(cè)試儀應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單可用，為了簡(jiǎn)化反應(yīng)測(cè)試儀的難度，本設(shè)計(jì)只考慮光信號(hào)作為刺激信號(hào)，電信號(hào)作為回饋信號(hào)的反應(yīng)測(cè)試儀。即當(dāng)系統(tǒng)有光信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始工作，當(dāng)?shù)玫接脩舻碾娦盘?hào)回饋時(shí)，測(cè)試停止并得到該用戶的反應(yīng)時(shí)間。為了能夠更好的回饋給用戶，可以使用聲音信號(hào)作為傳送結(jié)果的載體，也可以通過(guò)視覺(jué)信號(hào)作為傳送結(jié)果的載體，為了簡(jiǎn)化復(fù)雜度，筆者選擇了LED數(shù)碼管作為反應(yīng)時(shí)間回饋的載體。

1.2解決問(wèn)題方法及思路

1）硬件部分

針對(duì)需求中的分析，作如下解決：①用LED數(shù)碼管作為刺激信號(hào)；②用按鍵的高低電平信號(hào)作為用戶的回饋信號(hào)；③計(jì)時(shí)我們采用可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8253，8253通道1作為基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生0 .01ms的方波信號(hào)作為通道0的時(shí)鐘信號(hào)。通道1工作在方式2（頻率發(fā)生器），時(shí)鐘信號(hào)接62.5KHZ的頻率，經(jīng)過(guò)625分頻后產(chǎn)生周期為0.01ms的方波信號(hào)作為通道0的時(shí)鐘信號(hào)，以0.01ms為基準(zhǔn)不斷計(jì)數(shù)即可。④為了顯示反應(yīng)時(shí)間，我們選擇了8段數(shù)碼管作為顯示工具，為了能夠有效的控制數(shù)碼管，特別的我們選擇了一個(gè)專用芯片8279，通過(guò)8279送出數(shù)碼管的位選和段選選擇數(shù)碼管的4位作為顯示的載體，8279外接2M的時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)CS、A0選中，使輸出端口B、C送出段選和位選信號(hào)。

2）軟件部分

首先，根據(jù)硬件需求采用8255A、8279和8253芯片，為實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管、鍵盤的控制，采用匯編語(yǔ)言，分別對(duì)8255A、8251A和8253進(jìn)行初始化設(shè)置。

然后，程序查詢8255A的PA口輸入的開(kāi)關(guān)信號(hào)，決定8255A何時(shí)向外部設(shè)備發(fā)送的刺激信號(hào)，即低電平信號(hào)（LED燈點(diǎn)亮）。

最后，程序查詢8255A的PB端口接收緩沖區(qū)內(nèi)回饋電信號(hào)，根據(jù)所得到的信號(hào)（低電平有效），調(diào)用相應(yīng)模式子程序，控制轉(zhuǎn)換測(cè)試時(shí)間為BCD碼，并通過(guò)數(shù)碼管顯示該時(shí)間即可。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)器8253

1）可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)器8253在本設(shè)計(jì)中的作用

在本系統(tǒng)中，可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)器8253主要用于計(jì)數(shù)功能，以達(dá)到測(cè)試人的反應(yīng)時(shí)間的目的。

2）可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)器8253的功能分析

可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)器8253有6種工作方式，分別為：方式0（計(jì)數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷）；方式1（可編程出發(fā)器）；方式2（頻率發(fā)生器）；方式3（方波發(fā)生器）；方式4（軟件出發(fā)選通）；方式5（硬件出發(fā)選通）

3）可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)器8253的技術(shù)參數(shù)分析

表1 8253的端口選擇和操作

2.2可編程并行接口8255

1）可編程并行接口8255在本設(shè)計(jì)中的作用

在本設(shè)計(jì)中，可編程并行接口8255主要用于和用戶之間交互信息，其中包括接受用戶的輸入：主要是啟動(dòng)按鈕的輸入和測(cè)試按鈕的輸入；用于輸出系統(tǒng)信息的主要有LED數(shù)碼管，通過(guò)可編程并行接口8255控制LED燈閃亮，用于計(jì)時(shí)測(cè)試正式開(kāi)始。

2）可編程并行接口8255的功能分析

可編程并行接口8255共有3種工作方式，分別為：

① 方式0：基本輸入/輸出方式；

② 方式 1：選通輸入/輸出方式；

③ 方式2：雙向輸入輸出方式。

3）可編程并行接口8255的技術(shù)參數(shù)分析

表2 8255A端口地址及操作功能

2.3可編程設(shè)置型鍵盤/顯示器接口8279在本設(shè)計(jì)中的作用

在本系統(tǒng)中可編程設(shè)置型鍵盤/顯示器接口8279的主要功能是用于顯示數(shù)碼管，通過(guò)B口控制數(shù)碼管8位段選，C口控制8個(gè)數(shù)碼管的位選，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)（用戶反映時(shí)間）的作用。

2.4語(yǔ)音模塊ISD1420在本設(shè)計(jì)中的作用

本設(shè)計(jì)的最初以光作為刺激信號(hào)，由于較為簡(jiǎn)單，提前完成了設(shè)計(jì)內(nèi)容，為了增加內(nèi)容，特別添加了聲音作為刺激信號(hào)，在本設(shè)計(jì)中ISD1420的作用僅僅只是放音的功能，將實(shí)現(xiàn)錄制好的聲音通過(guò)按鍵播放出來(lái)。以達(dá)到通知用戶何時(shí)測(cè)試開(kāi)始。

2.5鍵盤在本設(shè)計(jì)中的作用

在本設(shè)計(jì)中，鍵盤主要的作用是啟動(dòng)系統(tǒng)和啟動(dòng)測(cè)試及反應(yīng)回饋，在第二個(gè)任務(wù)中使用的語(yǔ)音作為啟動(dòng)測(cè)試，而反應(yīng)回饋仍然是以按鍵的形式。

2.6 LED燈在本設(shè)計(jì)中的作用

在本設(shè)計(jì)中，LED燈僅僅在第一個(gè)原始任務(wù)中使用到，LED燈的作用是作為測(cè)試開(kāi)始的刺激信號(hào)，當(dāng)LED燈閃亮的時(shí)候，立即啟動(dòng)測(cè)試，等待用戶再次擊鍵。

2.7數(shù)碼管在本設(shè)計(jì)中的作用

在本設(shè)計(jì)中，數(shù)碼管的作用不容小覷，主要用于顯示用戶的反應(yīng)時(shí)間，在第三個(gè)任務(wù)中，通過(guò)顯示9-0這十個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)顯示到0時(shí)，作為刺激信號(hào)等待用戶反應(yīng)，在該任務(wù)下，我們特別的將沒(méi)有作用的零為消除，即當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為02.90時(shí)，顯示2.90即可。

2.8蜂鳴器在本設(shè)計(jì)中的作用

蜂鳴器主要用于第二個(gè)任務(wù)，在第二個(gè)任務(wù)中，語(yǔ)音芯片播放測(cè)試開(kāi)始后，立即使得蜂鳴器響，用戶得到聲音的輸入信號(hào)后，立即反應(yīng)即可。

2.9 硬件總邏輯圖說(shuō)明

本系統(tǒng)共有7塊主要的芯片構(gòu)成，其中也包括其他一些芯片的輔助工作。

CPU 8086通過(guò)8282將發(fā)出的地址信號(hào)經(jīng)過(guò)譯碼出去，選中當(dāng)前需要選中的芯片，通過(guò)片選信號(hào)選中某芯片，并使之為其工作。

其中8255主要用于與用戶的交互使用，通過(guò)啟動(dòng)按鈕和測(cè)試按鈕可以輕松的與用戶實(shí)時(shí)交互，主機(jī)通過(guò)LED顯示當(dāng)前的信號(hào)。通過(guò)設(shè)置8255的A口工作于方式0輸入方式，B口工作于方式0的輸入方式實(shí)現(xiàn)該交互功能。

而8253則主要實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，測(cè)量當(dāng)前用戶的反應(yīng)時(shí)間。因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間的顯示是以0.01秒為一個(gè)基本單位，試驗(yàn)條件下，最小的頻率為62.5KHZ，通過(guò)8253通道1工作于方式2（分頻發(fā)生器）將時(shí)鐘信號(hào)分頻為100HZ（即周期為0.01秒）；此時(shí)將OUT0端輸出接入通道0，并開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)用戶反應(yīng)則停止計(jì)數(shù)，并將結(jié)果顯示出來(lái)，最大的反應(yīng)時(shí)間為99.99秒。

本系統(tǒng)中，ISD1420的作用是實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的播放，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)需要錄入語(yǔ)音片段，但是錄入語(yǔ)音片段并不是主要內(nèi)容。通過(guò)將CP口接到CS1，REC接到PC0，PLAYE接到PC1，PLAYL接到PC2，再將可編程并行接口8255的PA口接到8位按鍵上，通過(guò)1、2兩個(gè)按鍵錄音，3、4兩個(gè)按鍵分別啟動(dòng)測(cè)試和反饋。其余四個(gè)按鍵沒(méi)有作用。

在任務(wù)二中，還有一個(gè)期間蜂鳴器，蜂鳴器作為刺激信號(hào)使用，當(dāng)測(cè)試開(kāi)始聲音播放完畢后，蜂鳴器響，等待用戶測(cè)試。8259主要用戶控制8段數(shù)碼管的顯示，用戶實(shí)時(shí)的用戶交互，顯示當(dāng)前用戶的反應(yīng)時(shí)間。

3 控制程序設(shè)計(jì)

3.1控制流程設(shè)計(jì)及其思路說(shuō)明

3.1.1 任務(wù)一

1）初始化系統(tǒng)芯片

① 初始化可編程并行接口8255：設(shè)置PA端口工作于方式0，作為輸入端口，主要用于接收啟動(dòng)按鍵和測(cè)試按鍵的輸入信號(hào)。PB端口工作于方式0，作為輸出端口，用于控制LED燈閃爍，指示當(dāng)前測(cè)試開(kāi)始。

② 初始化可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)器8253：設(shè)置通道1工作于方式2（頻率發(fā)生器），將62.5KHZ的時(shí)鐘信號(hào)625分頻，產(chǎn)生100HZ的時(shí)鐘信號(hào)用于通道0的定時(shí)使用。此時(shí)通道0工作于方式0（計(jì)數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷方式）。

START： MOV DX，COM_ADD

MOV AL，90H ；A口共作于方式0輸入，B口工作于方式0輸出

OUT DX，AL

MOV DX，COM_ADDR

MOV AL，74H ；000寫通道1方式2 二進(jìn)制計(jì)數(shù) 先寫低字節(jié)在寫高字節(jié)

OUT DX，AL

MOV DX，T1_ADDR

MOV AL，71H

OUT DX，AL

MOV AL，02H

OUT DX，AL ；271H=625

2）檢測(cè)是否開(kāi)始：通過(guò)不斷讀取啟動(dòng)按鈕的狀態(tài)測(cè)試，當(dāng)前用戶是否要啟動(dòng)一次反映測(cè)試響應(yīng)；若啟動(dòng)按鈕有低電平信號(hào)，則測(cè)試開(kāi)始。

3）檢測(cè)是否反映：當(dāng)測(cè)試開(kāi)始時(shí)，系統(tǒng)將以一LED燈指示，測(cè)試計(jì)時(shí)是否正式開(kāi)始，當(dāng)LED亮?xí)r測(cè)試計(jì)時(shí)開(kāi)始，此時(shí)系統(tǒng)不斷檢測(cè)是否有測(cè)試按鈕被按下，若被按下計(jì)時(shí)時(shí)間被采樣。

4）顯示測(cè)試結(jié)果：此過(guò)程主要用于顯示采用結(jié)果。采樣結(jié)果于8段LED數(shù)碼管上顯示，顯示時(shí)間格式為：XX.XX秒。

3.1.2 任務(wù)二

1）初始化系統(tǒng)芯片

① 初始化可編程并行接口8255：設(shè)置PA端口工作于方式0，作為輸入端口，主要用于接收啟動(dòng)按鍵、測(cè)試按鍵錄音按鍵的輸入信號(hào)。PB端口工作于方式0，作為輸出端口，用于控制蜂鳴器的響與不響，指示當(dāng)前測(cè)試開(kāi)始，設(shè)置PC口工作于方式0，作為輸出端口，主要用于控制ISD1420語(yǔ)音芯片的錄音與放音。

② 初始化可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)器8253：設(shè)置通道1工作于方式2（頻率發(fā)生器），將62.5KHZ的時(shí)鐘信號(hào)625分頻，產(chǎn)生100HZ的時(shí)鐘信號(hào)用于通道0的定時(shí)使用。此時(shí)通道0工作于方式0（計(jì)數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷方式）。

③ 始化可編程語(yǔ)音接口ISD1420：關(guān)閉錄音播放功能，允許手動(dòng)錄放音。

2）檢測(cè)是否開(kāi)始

通過(guò)不斷讀取啟動(dòng)按鈕的狀態(tài)測(cè)試，當(dāng)前用戶是否要啟動(dòng)一次反映測(cè)試響應(yīng)；若啟動(dòng)按鈕有低電平信號(hào)，則測(cè)試開(kāi)始。

CON2： IN AL，DX

TEST AL，02H

JNZ CON2 ；判斷是否按測(cè)試按鈕

MOV AL，00H ；讀取計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)值

MOV DX，COM_ADDR

OUT DX，AL

MOV DX，T0_ADDR

IN AL，DX ；計(jì)數(shù)值0的低8位

XCHG AL，AH

IN AL，DX ；計(jì)數(shù)器0的高8位

XCHG AL，AH

CALL LedDisplay

MOV DX，PB_ADD ；LED低電平有效

MOV AL，0FFH

OUT DX，AL ；關(guān)燈

MOV CX，8

MOV AL，0

XOR SI，SI

3）檢測(cè)是否反映

當(dāng)測(cè)試開(kāi)始時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出測(cè)試開(kāi)始，此時(shí)用于應(yīng)該處于就緒狀態(tài)，之后系統(tǒng)以一蜂鳴器的響聲指示，測(cè)試計(jì)時(shí)是否正式開(kāi)始，當(dāng)蜂鳴器響時(shí)測(cè)試計(jì)時(shí)開(kāi)始，此時(shí)系統(tǒng)不斷檢測(cè)是否有測(cè)試按鈕被按下，若被按下計(jì)時(shí)時(shí)間被采樣。

LedDisplay PROC NEAR ；輸入?yún)?shù)AX

XCHG AX，BX

MOV AX，2710H ；2710H=10000

SUB AX，BX

MOV DX，AX

CALL HEX2BCD

MOV BUFFER+5，10H ；高3位不需要顯示

MOV BUFFER+6，10H

MOV BUFFER+7，10H

LEA SI，BUFFER

CALL Display8

RET

LedDisplay ENDP

4）顯示測(cè)試結(jié)果

此過(guò)程主要用于顯示采用結(jié)果。采樣結(jié)果于8段LED數(shù)碼管上顯示，顯示時(shí)間格式為：XX.XX秒。

3.1.3 任務(wù)三

鑒于任務(wù)三的內(nèi)容和任務(wù)一的內(nèi)容及其相似，此處不再詳細(xì)寫出，任務(wù)三的刺激信號(hào)不再是LED燈的閃亮，而是數(shù)碼管從9變到0后，立即啟動(dòng)測(cè)試，等待用戶擊鍵。

4 結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)能夠高精度的測(cè)試人的反應(yīng)時(shí)間，并將反應(yīng)時(shí)間顯示于數(shù)碼管上。通過(guò)修改程序時(shí)序，使得當(dāng)用戶反應(yīng)時(shí)間很快時(shí)，也能正確的接受，并顯示于數(shù)碼管上，不會(huì)出現(xiàn)偶爾的出錯(cuò)現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韋興平，胡丹，車暢.基于A3967SLB的步進(jìn)馬達(dá)壽命測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010（1）：87-88.

[2] 熊春如，戴青云，韓國(guó)軍.“Parkinson”藥物藥理反應(yīng)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006（04Z）：46-48.