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數(shù)碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制器CH451及其應用
摘要：介紹一種新型的鍵盤顯示驅動芯片CH451的性能特點和工作原理，給出了CH451鍵盤顯示驅動芯片與MCS－51單片機的接口方法與相應的軟件驅動程序。關鍵詞：鍵盤顯示控制；單片機；CH451
單片機在開發(fā)過程中，常常會因為資源不足而不得不大量擴展接口芯片以滿足應用系統(tǒng)的需要，其中原因之一是人機界面中的鍵盤顯示占用了系統(tǒng)太多資源，從而造成系統(tǒng)龐大，同時降低了系統(tǒng)的可靠性。在單片機應用系統(tǒng)中，鍵盤顯示通常可采用以下幾種方式：
(１)采用并行接口的鍵盤顯示專用芯片８２７９。但８２７９所需外圍元件多（顯示驅動、譯碼等）、占用電路板面積大、綜合成本高，在中小系統(tǒng)中常常大材小用；
(２)采用通用并行Ｉ／Ｏ芯片擴展（如用８１５５等），但此方案同樣需要驅動顯示，同時鍵盤顯示掃描還需占用ＣＰＵ大量時間；
(３)采用專用顯示控制器，并用ＣＰＵ的Ｉ／Ｏ引腳完成鍵盤輸入（如ＭＣ１４４９９、ＰＳ７２１９、ＭＡＸ７２１９、ＩＣＭ７２１８、ＴＬＣ５９２１等，大多是串行接口并有顯示驅動能力，Ｉ／Ｏ占用少）。這種接口方式省去了顯示的掃描，而且電路大多也很簡單，通常在系統(tǒng)需要的按鍵較少時比較適用；
(４)采用帶Ｉ２Ｃ總線的鍵盤顯示芯片（如顯示用ＳＡＡ１０６４，鍵盤用ＰＣＦ８５７４），不過這種方式對于無Ｉ２Ｃ總線接口的ＣＰＵ來說，編程顯得有些不便；
(５)采用串行接口的鍵盤顯示專用芯片，如ＢＣ７２８０／８１、ＨＤ７２７９、ＣＨ４５１等。這類芯片占用ＣＰＵ的資源少，傳輸速度較快，外圍器件要求也較少，在中小系統(tǒng)中都可得到廣泛的應用。ＢＣ７２８０／８１與ＨＤ７２７９中已有介紹，本文著重介紹ＣＨ４５１的主要特性及接口應用方法。
１ ＣＨ４５１的功能與引腳介紹
ＣＨ４５１是一個整合了數(shù)碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制以及μＰ監(jiān)控的多功能外圍芯片。ＣＨ４５１內置ＲＣ振蕩電路，可以直接動態(tài)驅動８位數(shù)碼管或者６４位ＬＥＤ，具有ＢＣＤ譯碼或不譯碼功能，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)、各數(shù)字獨立閃爍等控制功能。ＣＨ４５１內置大電流驅動級，段電流不小于３０ｍＡ，字電流不小于１６０ｍＡ，并有１６ 級亮度控制功能；在鍵盤控制方面，該器件內置６４鍵鍵盤控制器，可實現(xiàn)８×８矩陣鍵盤掃描，并內置去抖動電路，可提供按鍵中斷與按鍵釋放標志位等功能；在外部接口方面，ＣＨ４５１可選擇簡潔的１線串行接口或高速４線串行接口，且內置上電復位，可提供高電平有效復位和低電平有效復位兩種輸出，同時內置看門狗電路Ｗａｔｃｈ－Ｄｏｇ。ＣＨ４５１提供有２８引腳的ＤＩＰ２８與ＳＯＰ２８封裝以及ＤＩＰ２４Ｓ封裝形式，２８腳與２４腳在功能上稍有差別，它們的引腳定義見表１所列。
表1 CH451的引腳說明
引 腳 說 明
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ＣＨ４５１的操作命令均為１２位，其中高４位為標識碼，低８位為參數(shù)，各操作命令如下：
●空操作：００００ｘｘｘｘｘｘｘｘＢ（ｘ可為任意值，下同）
空操作命令對ＣＨ４５１不產(chǎn)生任何影響。該命令可以在多個ＣＨ４５１級聯(lián)的應用中透過前級ＣＨ４５１向后級ＣＨ４５１發(fā)送操作命令而不影響前級ＣＨ４５１的狀態(tài)。例如，要將操作命令００１００００００００１Ｂ發(fā)送給兩級級聯(lián)電路中的后級ＣＨ４５１（后級ＣＨ４５１的ＤＩＮ引腳連接到前級ＣＨ４５１的ＤＯＵＴ引腳），只要在該操作命令后添加空操作命令００００００００００００Ｂ再發(fā)送，那么，該操作命令將經(jīng)過前級ＣＨ４５１到達后級ＣＨ４５１，而空操作命令留給了前級ＣＨ４５１。另外，為了在不影響ＣＨ４５１的前提下變化ＤＣＬＫ以清除看門狗計時器，也可以發(fā)送空操作命令。在非級聯(lián)的應用中，空操作命令可只發(fā)送高４位。
● 芯片內部復位：００１００００００００１Ｂ
內部復位命令可將ＣＨ４５１的各個寄存器和各種參數(shù)復位到默認的狀態(tài)。芯片上電時，ＣＨ４５１均被復位，此時各個寄存器均復位為０，各種參數(shù)均恢復為默認值。
● 字數(shù)據(jù)移位：００１１００００００[Ｄ１][Ｄ０]Ｂ
字數(shù)據(jù)移位命令共有４個：開環(huán)左移、右移，閉環(huán)左移、右移。Ｄ０為０時為開環(huán)，為１時為閉環(huán)，Ｄ１為０時左移，為１時為右移。開環(huán)左移時?ＤＩＧ０引腳對應的單元補００Ｈ，此時不譯碼方式顯示為空格，ＢＣＤ譯碼方式時顯示為０；開環(huán)右移時，ＤＩＧ７引腳對應的單元補００Ｈ；而在閉環(huán)時?ＤＩＧ０與ＤＩＧ７頭尾相接，閉環(huán)移位。
● 設定系統(tǒng)參數(shù)：０１０００００００[ＷＤＯＧ][ＫＥＹＢ][ＤＩＳＰ]Ｂ
該命令用于設定ＣＨ４５１的系統(tǒng)級參數(shù)?如看門狗使能ＷＤＯＧ、鍵盤掃描使能ＫＥＹＢ、顯示驅動使能ＤＩＳＰ等。各個參數(shù)均可通過１位數(shù)據(jù)來進行控制，將相應的數(shù)據(jù)位置為１可啟用該功能，否則關閉該功能（默認值）。
● 設定顯示參數(shù)：０１０１[ＭＯＤＥ][ＬＩＭＩＴ][ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ]Ｂ
此命令用于設定ＣＨ４５１的顯示參數(shù)，如譯碼方式ＭＯＤＥ（１位）、掃描極限ＬＩＭＩＴ（３位）、顯示亮度ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ（４位）等。譯碼方式ＭＯＤＥ為１時選擇ＢＣＤ譯碼方式，為０時選擇不譯碼方式。ＣＨ４５１默認工作于不譯碼方式，此時８個數(shù)據(jù)寄存器中字節(jié)數(shù)據(jù)的位７～位０分別對應８個數(shù)碼管的小數(shù)點和段Ｇ～段Ａ，當數(shù)據(jù)位為１時，對應的數(shù)據(jù)段（或發(fā)光管）點亮；數(shù)據(jù)位為０時熄滅。ＣＨ４５１工作于ＢＣＤ譯碼方式主要應用于數(shù)碼管驅動，單片機只要給出二進制數(shù)的ＢＣＤ碼，便可由ＣＨ４５１將其譯碼并直接驅動數(shù)碼管以顯示對應的字符。ＢＣＤ譯碼方式是對數(shù)據(jù)寄存器中字節(jié)數(shù)據(jù)的位４～位０進行兼容ＢＣＤ的譯碼，可用于控制段驅動引腳ＳＥＧ６～ＳＥＧ０的輸出，它們對應于數(shù)碼管的段Ｇ～段Ａ，同時可用字節(jié)數(shù)據(jù)的位７控制段來驅動引腳ＳＥＧ７的輸出以對應數(shù)碼管的小數(shù)點，字節(jié)數(shù)據(jù)的位６和位５不影響ＢＣＤ譯碼的輸出，它們可以是任意值。將位４～位０進行ＢＣＤ譯碼可顯示以下２８個字符，其中０００００Ｂ～０１１１１Ｂ分別對應于“０～Ｆ”、１００００Ｂ～１１０１０Ｂ分別對應于“ ”?空格? 、“＋”?＋或加號? 、“－”?負號或減號? 、“＝”?等于號? 、“?＂?左方括號? 、“?”?右方括號? 、“＿”?下劃線? 、“Ｈ” 、“Ｌ” 、“Ｐ” 、“．”?小數(shù)點? 、其余值為空格。
掃描極限ＬＩＭＩＴ控制位００１Ｂ～１１１Ｂ和０００Ｂ（默認值）可分別設定掃描極限１～７和８。顯示亮度ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ控制位的０００１Ｂ～１１１１Ｂ和００００Ｂ（默認值）則用于分別設定顯示驅動占空比１／１６～１５／１６ 和１６／１６，以實現(xiàn)１６級顯示亮度控制。
●設定閃爍控制：０１１０[Ｄ７Ｓ][Ｄ６Ｓ][Ｄ５Ｓ][Ｄ４Ｓ][Ｄ３Ｓ][Ｄ２Ｓ][Ｄ１Ｓ][Ｄ０Ｓ]Ｂ
設定閃爍控制命令用于設定ＣＨ４５１的閃爍顯示屬性，其中Ｄ７Ｓ～Ｄ０Ｓ 分別對應于８個字驅動ＤＩＧ７～ＤＩＧ０。閃爍屬性Ｄ７Ｓ～Ｄ０Ｓ分別通過１位數(shù)據(jù)控制，將相應的數(shù)據(jù)位置為１可使能閃爍顯示，否則為正常顯示，不閃爍（默認值）。
●加載字數(shù)據(jù)：１[ＤＩＧ＿ＡＤＤＲ][ＤＩＧ＿ＤＡＴＡ]Ｂ
加載字數(shù)據(jù)命令用于將字節(jié)數(shù)據(jù)ＤＩＧ＿ＤＡＴＡ（８位）寫入ＤＩＧ＿ＡＤＤＲ（３位）指定的數(shù)據(jù)寄存器中。ＤＩＧ＿ＡＤＤＲ的０００Ｂ～１１１Ｂ分別用于指定數(shù)據(jù)寄存器的地址０～７，并分別對應于ＤＩＧ０～ＤＩＧ７引腳驅動的８個數(shù)碼管。ＤＩＧ＿ＤＡＴＡ為待寫入的字節(jié)數(shù)據(jù)。
●讀取按鍵代碼：０１１１ｘｘｘｘｘｘｘｘＢ
讀取按鍵代碼命令用于獲得ＣＨ４５１最近檢測到的有效按鍵的按鍵代碼。該命令是唯一的具有數(shù)據(jù)返回的命令，ＣＨ４５１通常從ＤＯＵＴ引腳輸出按鍵代碼，按鍵代碼總是７位數(shù)據(jù)，最高位是狀態(tài)碼，位５～位０是掃描碼。讀取按鍵代碼命令的位數(shù)據(jù)Ｂ７～Ｂ０可以是任意值，所以控制器可以將該操作命令縮短為４位數(shù)據(jù)Ｂ１１～Ｂ８。例如，ＣＨ４５１檢測到有效按鍵并中斷時，如按鍵代碼是５ＥＨ，則先向ＣＨ４５１發(fā)出讀取按鍵代碼命令０１１１Ｂ，然后再從ＤＯＵＴ獲得按鍵代碼５ＥＨ。
ＣＨ４５１所提供的按鍵代碼為７位，位２～位０是列掃描碼，位５～位３是行掃描碼，位６是狀態(tài)碼（鍵按下為１，鍵釋放為０）。例如，連接ＤＩＧ３與ＳＥＧ４的鍵被按下時，按鍵代碼為６３Ｈ，鍵被釋放后，按鍵代碼是２３Ｈ。單片機可以在任何時候讀取按鍵代碼，但一般在ＣＨ４５１檢測到有效按鍵而產(chǎn)生鍵盤中斷時讀取按鍵代碼，此時按鍵代碼的位６總是１。另外，如果需要了解按鍵何時釋放，單片機可以通過查詢方式定期讀取按鍵代碼，直到按鍵代碼的位６為０。表２是連接在ＤＩＧ７～ＤＩＧ０與ＳＥＧ７～ＳＥＧ０之間的鍵被按下時，ＣＨ４５１所提供的按鍵代碼。這些按鍵代碼具有一定的規(guī)律，如果需要鍵被釋放時的按鍵代碼，可將表２中的按鍵代碼的位６ 置０，也可將表中的按鍵代碼減去４０Ｈ。應注意的是：ＣＨ４５１不支持組合鍵，也就是說，同一時刻，不能有兩個或者更多的鍵被按下。
表2 CH451的鍵盤編碼表
３ 串行接口應用電路
ＣＨ４５１與ＭＣＳ－５１單片機的連接如圖１所示，其中ＤＯＵＴ引腳最好連接到單片機的中斷輸入引腳，這樣可用中斷方式響應按鍵。如果連接到非中斷輸入引腳，則應該使用查詢方式確定ＣＨ４５１是否檢測到有效按鍵，同時還可向單片機提供復位信號ＲＥＳＥＴ并帶Ｗａｔｃｈ－Ｄｏｇ功能。ＣＨ４５１的段驅動引腳串接的電阻Ｒ１（２００Ω）用于限制和均衡段驅動電流。在５Ｖ電源電壓下，串接２００Ω電阻通常對應１３ｍＡ段電流。ＣＨ４５１具有６４鍵的鍵盤掃描功能，為了防止鍵被按下后在ＳＥＧ信號線與ＤＩＧ信號線之間形成短路而影響數(shù)碼管顯示，一般應在ＣＨ４５１的ＤＩＧ０～ＤＩＧ７引腳與鍵盤矩陣之間串接限流電阻Ｒ２，其阻值可以從１ｋΩ至１０ｋΩ。
將Ｐ１．０與ＤＩＮ連接可用于輸入串行數(shù)據(jù)，串行數(shù)據(jù)輸入的順序是低位在前，高位在后。另外，在上電復位后，ＣＨ４５１ 默認選擇１線串行接口，如需選擇４線串行接口，則應在ＤＣＬＫ輸出串行時鐘之前，先在ＤＩＮ上輸出一個低電平脈沖，以通知ＣＨ４５１為４線串行接口。將Ｐ１．１與ＤＣＬＫ連接可提供串行時鐘，以使ＣＨ４５１在其上升沿從ＤＩＮ輸入數(shù)據(jù)，并在其下降沿從ＤＯＵＴ輸出數(shù)據(jù)。ＬＯＡＤ用于加載串行數(shù)據(jù)，ＣＨ４５１一般在其上升沿加載移位寄存器中的１２位數(shù)據(jù)以作為操作命令進行分析并處理。也就是說，ＬＯＡＤ的上升沿是串行數(shù)據(jù)幀的幀完成標志，此時無論移位寄存器中的１２位數(shù)據(jù)是否有效，ＣＨ４５１都會將其當作操作命令來處理。應注意的是，在級聯(lián)電路中，單片機每次輸出的串行數(shù)據(jù)必須是單個ＣＨ４５１的串行數(shù)據(jù)的位數(shù)乘以級聯(lián)的級數(shù)。
下面是該電路的驅動程序：
；主程序需要定義的參數(shù)
ＤＣＬＫ ＢＩＴ Ｐ１．１ ；串行數(shù)據(jù)時鐘，上升沿激活
ＤＩＮ ＢＩＴ Ｐ１．０ ；串行數(shù)據(jù)輸入
ＬＯＡＤ ＢＩＴ Ｐ１．２ ；串行命令加載，上升沿激活
ＤＯＵＴ ＢＩＴ Ｐ３．２ ；接ＩＮＴ０，鍵盤中斷和鍵值數(shù)據(jù)輸出
ＫＥＹ ＤＡＴＡ ７ＦＨ ；存放鍵盤中斷時讀取的鍵值
；＊＊＊＊＊＊＊ 初始化子程序 ＊＊＊＊＊＊＊
ＩＮＩＴ? ＣＬＲ ＤＩＮ ；先低后高，輸出上升沿通知
ＣＨ４５１選擇４線串行接口
ＳＥＴＢ ＤＣＬＫ ；置為默認的高電平
ＳＥＴＢ ＤＩＮ
ＳＥＴＢ ＬＯＡＤ
ＳＥＴＢ ＤＯＵＴ ；置為輸入
ＭＯＶ Ｂ?＃０４Ｈ ；設置系統(tǒng)參數(shù)命令
ＭＯＶ Ａ?＃０７Ｈ ； Ｗａｔｃｈ－Ｄｏｇ使能，開鍵盤、顯示功能
ＬＣＡＬＬ ＷＲＩＴＥ
ＭＯＶ Ｂ?＃０３Ｈ ；設置移位命令
ＭＯＶ Ａ?＃００Ｈ ；開環(huán)左移
ＬＣＡＬＬ ＷＲＩＴＥ
ＭＯＶ Ｂ?＃０５Ｈ ；設置顯示參數(shù)
ＭＯＶ Ａ?＃００Ｈ ；不譯碼，８位顯示，最亮
ＬＣＡＬＬ ＷＲＩＴＥ
ＭＯＶ Ｂ?＃０６Ｈ ；設置閃爍控制
ＭＯＶ Ａ?＃００Ｈ ；不閃爍
ＬＣＡＬＬ ＷＲＩＴＥ
ＣＬＲ ＩＴ０ ；置外部信號為低電平觸發(fā)
ＣＬＲ ＩＥ０ ；清中斷標志
ＳＥＴＢ ＥＸ０ ；允許鍵盤中斷
ＳＥＴＢ ＥＡ
ＲＥＴ
；＊＊＊＊＊＊＊ 輸出命令子程序 ＊＊＊＊＊＊
；入?yún)ⅲ海�、ＡＣＣ待寫的１２位�?shù)據(jù)? 低８位在ＡＣＣ中? 高４位在Ｂ的低４位中
ＷＲＩＴＥ? ＣＬＲ ＥＸ０ ；禁止鍵盤中斷
ＣＬＲ ＬＯＡＤ ；命令開始，此命令可以放在后面
ＭＯＶ Ｒ７?＃０８Ｈ ；將ＡＣＣ中８位送出
ＷＲＩＴＥ＿８?ＲＲＣ Ａ ；低位在前，高位在后
ＣＬＲ ＤＣＬＫ
ＭＯＶ ＤＩＮ?Ｃ ；送出一位數(shù)據(jù)
ＳＥＴＢ ＤＣＬＫ ；產(chǎn)生時鐘上升沿通知
ＣＨ４５１輸入位數(shù)據(jù)
ＤＪＮＺ Ｒ７? ＷＲＩＴＥ ８ ；位數(shù)據(jù)未完，繼續(xù)
ＭＯＶ Ａ?Ｂ
ＭＯＶ Ｒ７?＃０４Ｈ ；將Ｂ中４位送出
ＷＲＩＴＥ ４?ＲＲＣ Ａ ；低位在前?高位在后
ＣＬＲ ＤＣＬＫ
ＭＯＶ ＤＩＮ?Ｃ
ＳＥＴＢ ＤＣＬＫ
ＤＪＮＺ Ｒ７? ＷＲＩＴＥ ４
ＳＥＴＢ ＬＯＡＤ ；產(chǎn)生加載上升沿通知
ＣＨ４５１處理命令數(shù)據(jù)
ＳＥＴＢ ＥＸ０ ；允許鍵盤中斷
ＲＥＴ
?＊＊＊＊＊＊＊ 輸入鍵值子程序 ＊＊＊＊＊＊
? 出參? ＡＣＣ鍵值數(shù)據(jù)
ＲＥＡＤ? ＣＬＲ ＥＸ０ ；禁止鍵盤中斷
ＣＬＲ ＬＯＡＤ ；命令開始
ＭＯＶ Ａ?＃０７Ｈ ；讀取鍵值命令的高４
位０１１１Ｂ
ＭＯＶ Ｒ７?＃０４Ｈ ；忽略１２位命令的低
８位
ＲＥＡＤ ４? ＲＲＣ Ａ ；低位在前，高位在后
ＣＬＲ ＤＣＬＫ
ＭＯＶ ＤＩＮ?Ｃ
ＳＥＴＢ ＤＣＬＫ
ＤＪＮＺ Ｒ７? ＲＥＡＤ ４
ＳＥＴＢ ＬＯＡＤ ；產(chǎn)生加載上升沿通知
ＣＨ４５１處理命令數(shù)據(jù)
ＣＬＲ Ａ ；先清除鍵值單元以便移位
ＭＯＶ Ｒ７?＃０７Ｈ ；讀入７位鍵值
ＲＥＡＤ＿７? ＭＯＶ Ｃ?ＤＯＵＴ ；讀入一位數(shù)據(jù)
ＣＬＲ ＤＣＬＫ ；產(chǎn)生時鐘下降沿通知
ＣＨ４５１輸出下一位
ＲＬＣ Ａ ；數(shù)據(jù)移入ＡＣＣ，高位
在前，低位在后
ＳＥＴＢ ＤＣＬＫ
ＤＪＮＺ Ｒ７? ＲＥＡＤ＿７ ；位數(shù)據(jù)未完繼續(xù)
ＣＬＲ ＩＥ０ ；清中斷標志，讀操作
過程中有低電平脈沖
ＳＥＴＢ ＥＸ０ ；允許鍵盤中斷
ＲＥＴ
４ 結束語
用ＣＨ４５１擴展鍵盤顯示接口，具有接口簡單、占用ＣＰＵ資源少、外圍器件簡單、性能價格比高等優(yōu)點，可在各種單片機系統(tǒng)中得到廣泛的應用。
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