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数码管显示驱动和键盘扫描控制器CH451及其应用

　　摘要：介绍一种新型的键盘显示驱动芯片CH451的性能特点和工作原理，给出了CH451键盘显示驱动芯片与MCS－51单片机的接口方法与相应的软件驱动程序。
关键词：键盘显示控制；单片机；CH451
单片机在开发过程中，常常会因为资源不足而不得不大量扩展接口芯片以满足应用系统的需要，其中原因之一是人机界面中的键盘显示占用了系统太多资源，从而造成系统庞大，同时降低了系统的可靠性。在单片机应用系统中，键盘显示通常可采用以下几种方式
(１)采用并行接口的键盘显示专用芯片８２７９。但８２７９所需外围元件多、占用电路板面积大、综合成本高，在中小系统中常常大材小用；
(２)采用通用并行Ｉ／Ｏ芯片扩展，但此方案同样需要驱动显示，同时键盘显示扫描还需占用ＣＰＵ大量时间；
(３)采用专用显示控制器，并用ＣＰＵ的Ｉ／Ｏ引脚完成键盘输入。这种接口方式省去了显示的扫描，而且电路大多也很简单，通常在系统需要的按键较少时比较适用；
(４)采用带Ｉ２Ｃ总线的键盘显示芯片，不过这种方式对于无Ｉ２Ｃ总线接口的ＣＰＵ来说，编程显得有些不便；
(５)采用串行接口的键盘显示专用芯片，如ＢＣ７２８０／８１、ＨＤ７２７９、ＣＨ４５１等。这类芯片占用ＣＰＵ的资源少，传输速度较快，外围器件要求也较少，在中小系统中都可得到广泛的应用。ＢＣ７２８０／８１与ＨＤ７２７９中已有介绍，本文着重介绍ＣＨ４５１的主要特性及接口应用方法。
１ ＣＨ４５１的功能与引脚介绍
ＣＨ４５１是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及μＰ监控的多功能外围芯片。ＣＨ４５１内置ＲＣ振荡电路，可以直接动态驱动８位数码管或者６４位ＬＥＤ，具有ＢＣＤ译码或不译码功能，可实现数据的左移、右移、左循环、右循环、各数字独立闪烁等控制功能。ＣＨ４５１内置大电流驱动级，段电流不小于３０ｍＡ，字电流不小于１６０ｍＡ，并有１６ 级亮度控制功能；在键盘控制方面，该器件内置６４键键盘控制器，可实现８×８矩阵键盘扫描，并内置去抖动电路，可提供按键中断与按键释放标志位等功能；在外部接口方面，ＣＨ４５１可选择简洁的１线串行接口或高速４线串行接口，且内置上电复位，可提供高电平有效复位和低电平有效复位两种输出，同时内置看门狗电路Ｗａｔｃｈ－Ｄｏｇ。ＣＨ４５１提供有２８引脚的ＤＩＰ２８与ＳＯＰ２８封装以及ＤＩＰ２４Ｓ封装形式，２８脚与２４脚在功能上稍有差别，它们的引脚定义见表１所列。
表1 CH451的引脚说明28脚引脚号24脚引脚号引脚名称类 型引 脚 说 明232VCC电源正电源，持续电流不小于200mA915GND电源接地，持续电流不小于200mA254LOAD输入4线串行接口的数据加协，带上拉265DIN输入4线串行接口的数据输入，带上拉276DCLK输入串行接口听数据时钟，带上拉，可同时用于看门狗的清除输入243DOUT输出串行接口的数据输出键盘中断22～151、24～18DIG7～SEG0三态输出及输入数码管的段驱动，高电平有效，键盘扫描输入，高电平有效，带下拉1～87～14DIG7～DIG0输出数码管的字驱动，低电平有效，键盘扫描输入，高电平有效，带下拉12不支持RST输出上电复位和看门狗复位，高电平有效13不支持RST输出上电复位和看门狗复位，低电平有效28不支持RSTI输入上电复位门限调整或手工复位输入14不支持ADJ输入段电流上限调整，带强下拉10不支持CLK输入外接阻容振荡11不支持CLKO输出CLK引脚时钟信号的二分频输出　17NC　不连接，禁止使用２　ＣＨ４５１的操作命令 ＣＨ４５１的操作命令均为１２位，其中高４位为标识码，低８位为参数，各操作命令●空操作：００００ｘｘｘｘｘｘｘｘＢ空操作命令对ＣＨ４５１不产生任何影响。该命令可以在多个ＣＨ４５１级联的应用中透过前级ＣＨ４５１向后级ＣＨ４５１发送操作命令而不影响前级ＣＨ４５１的状态。例如，要将操作命令００１００００００００１Ｂ发送给两级级联电路中的后级ＣＨ４５１，只要在该操作命令后添加空操作命令００００００００００００Ｂ再发送，那么，该操作命令将经过前级ＣＨ４５１到达后级ＣＨ４５１，而空操作命令留给了前级ＣＨ４５１。另外，为了在不影响ＣＨ４５１的前提下变化ＤＣＬＫ以清除看门狗计时器，也可以发送空操作命令。在非级联的应用中，空操作命令可只发送高４位。● 芯片内部复位：００１００００００００１Ｂ内部复位命令可将ＣＨ４５１的各个寄存器和各种参数复位到默认的状态。芯片上电时，ＣＨ４５１均被复位，此时各个寄存器均复位为０，各种参数均恢复为默认值。● 字数据移位：００１１００００００[Ｄ１][Ｄ０]Ｂ字数据移位命令共有４个：开环左移、右移，闭环左移、右移。Ｄ０为０时为开环，为１时为闭环，Ｄ１为０时左移，为１时为右移。开环左移时ＤＩＧ０引脚对应的单元补００Ｈ，此时不译码方式显示为空格，ＢＣＤ译码方式时显示为０；开环右移
　　时，ＤＩＧ７引脚对应的单元补００Ｈ；而在闭环时ＤＩＧ０与ＤＩＧ７头尾相接，闭环移位。● 设定系统参数：０１０００００００[ＷＤＯＧ][ＫＥＹＢ][ＤＩＳＰ]Ｂ该命令用于设定ＣＨ４５１的系统级参数如看门狗使能ＷＤＯＧ、键盘扫描使能ＫＥＹＢ、显示驱动使能ＤＩＳＰ等。各个参数均可通过１位数据来进行控制，将相应的数据位置为１可启用该功能，否则关闭该功能。● 设定显示参数：０１０１[ＭＯＤＥ][ＬＩＭＩＴ][ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ]Ｂ此命令用于设定ＣＨ４５１的显示参数，如译码方式ＭＯＤＥ、扫描极限ＬＩＭＩＴ、显示亮度ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ等。译码方式ＭＯＤＥ为１时选择ＢＣＤ译码方式，为０时选择不译码方式。ＣＨ４５１默认工作于不译码方式，此时８个数据寄存器中字节数据的位７～位０分别对应８个数码管的小数点和段Ｇ～段Ａ，当数据位为１时，对应的数据段点亮；数据位为０时熄灭。ＣＨ４５１工作于ＢＣＤ译码方式主要应用于数码管驱动，单片机只要给出二进制数的ＢＣＤ码，便可由ＣＨ４５１将其译码并直接驱动数码管以显示对应的字符。ＢＣＤ译码方式是对数据寄存器中字节数据的位４～位０进行兼容ＢＣＤ的译码，可用于控制段驱动引脚ＳＥＧ６～ＳＥＧ０的输出，它们对应于数码管的段Ｇ～段Ａ，同时可用字节数据的位７控制段来驱动引脚ＳＥＧ７的输出以对应数码管的小数点，字节数据的位６和位５不影响ＢＣＤ译码的输出，它们可以是任意值。将位４～位０进行ＢＣＤ译码可显示以下２８个字符，其中０００００Ｂ～０１１１１Ｂ分别对应于“０～Ｆ”、１００００Ｂ～１１０１０Ｂ分别对应于“ ”空格 、“＋”＋或加号 、“－”负号或减号 、“＝”等于号 、“＂左方括号 、“”右方括号 、“＿”下划线 、“Ｈ” 、“Ｌ” 、“Ｐ” 、“．”小数点 、其余值为空格。扫描极限ＬＩＭＩＴ控制位００１Ｂ～１１１Ｂ和０００Ｂ可分别设定扫描极限１～７和８。显示亮度ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ控制位的０００１Ｂ～１１１１Ｂ和００００Ｂ则用于分别设定显示驱动占空比１／１６～１５／１６ 和１６／１６，以实现１６级显示亮度控制。●设定闪烁控制：０１１０[Ｄ７Ｓ][Ｄ６Ｓ][Ｄ５Ｓ][Ｄ４Ｓ][Ｄ３Ｓ][Ｄ２Ｓ][Ｄ１Ｓ][Ｄ０Ｓ]Ｂ设定闪烁控制命令用于设定ＣＨ４５１的闪烁显示属性，其中Ｄ７Ｓ～Ｄ０Ｓ 分别对应于８个字驱动ＤＩＧ７～ＤＩＧ０。闪烁属性Ｄ７Ｓ～Ｄ０Ｓ分别通过１位数据控制，将相应的数据位置为１可使能闪烁显示，否则为正常显示，不闪烁。●加载字数据：１[ＤＩＧ＿ＡＤＤＲ][ＤＩＧ＿ＤＡＴＡ]Ｂ加载字数据命令用于将字节数据ＤＩＧ＿ＤＡＴＡ写入ＤＩＧ＿ＡＤＤＲ指定的数据寄存器中。ＤＩＧ＿ＡＤＤＲ的０００Ｂ～１１１Ｂ分别用于指定数据寄存器的地址０～７，并分别对应于ＤＩＧ０～ＤＩＧ７引脚驱动的８个数码管。ＤＩＧ＿ＤＡＴＡ为待写入的字节数据。●读取按键代码：０１１１ｘｘｘｘｘｘｘｘＢ读取按键代码命令用于获得ＣＨ４５１最近检测到的有效按键的按键代码。该命令是唯一的具有数据返回的命令，ＣＨ４５１通常从ＤＯＵＴ引脚输出按键代码，按键代码总是７位数据，最高位是状态码，位５～位０是扫描码。读取按键代码命令的位数据Ｂ７～Ｂ０可以是任意值，所以控制器可以将该操作命令缩短为４位数据Ｂ１１～Ｂ８。例如，ＣＨ４５１检测到有效按键并中断时，如按键代码是５ＥＨ，则先向ＣＨ４５１发出读取按键代码命令０１１１Ｂ，然后再从ＤＯＵＴ获得按键代码５ＥＨ。ＣＨ４５１所提供的按键代码为７位，位２～位０是列扫描码，位５～位３是行扫描码，位６是状态码。例如，连接ＤＩＧ３与ＳＥＧ４的键被按下时，按键代码为６３Ｈ，键被释放后，按键代码是２３Ｈ。单片机可以在任何时候读取按键代码，但一般在ＣＨ４５１检测到有效按键而产生键盘中断时读取按键代码，此时按键代码的位６总是１。另外，如果需要了解按键何时释放，单片机可以通过查询方式定期读取按键代码，直到按键代码的位６为０。表２是连接在ＤＩＧ７～ＤＩＧ０与ＳＥＧ７～ＳＥＧ０之间的键被按下时，ＣＨ４５１所提供的按键代码。这些按键代码具有一定的规律，如果需要键被释放时的按键代码，可将表２中的按键代码的位６ 置０，也可将表中的按键代码减去４０Ｈ。应注意的是：ＣＨ４５１不支持组合键，也就是说，同一时刻，不能有两个或者更多的键被按下。
表2 CH451的键盘编码表　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３　串行接口应用电路ＣＨ４５１与ＭＣＳ－５１单片机的连接如图１所示，其中ＤＯＵＴ引脚最好连接到单片机的中断输入引脚，这样可用中断方式响应按键。如果连接到非中断输入引脚，则应该使用查询方式确定ＣＨ４５１是否检测到有效按键，同时还可向单片机提供复位信号ＲＥＳＥＴ并带Ｗａｔｃｈ－Ｄｏｇ功能。ＣＨ４５１的段驱动引脚串接的电阻Ｒ１用于限制和均衡段驱动电流。在５Ｖ电源电压下，串接２００Ω电阻通常对应１３ｍＡ段电流。ＣＨ４５１具有６４键的键盘扫描功能，为了防止键被按下后在ＳＥＧ信号线与ＤＩＧ信号线之间形成短路而影响数码管显示，一般应在ＣＨ４５１的ＤＩＧ０～ＤＩＧ７引脚与键盘矩阵之间串接限流电阻Ｒ２，其阻值可以从１ｋΩ至１０ｋΩ。将Ｐ１．０与ＤＩＮ连接可用于输入串行数据，串行数据输入的顺序是低位在前，高位在后。另外，在上电复位后，ＣＨ４５１ 默认选择１线串行接口，如需选择４线串行接口，则应在ＤＣＬＫ输出串行时钟之前，先在ＤＩＮ上输出一个低电平脉冲，以通知ＣＨ４５１为４线串行接口。将Ｐ１．１与ＤＣＬＫ连接可提供串行时钟，以使ＣＨ４５１在其上升沿从ＤＩＮ输入数据，并在其下降沿从ＤＯＵＴ输出数据。ＬＯＡＤ用于加载串行数据，ＣＨ４５１一般在其上升沿加载移位寄存器中的１２位数据以作为操作命令进行分析并处理。也就是说，ＬＯＡＤ的上升沿是串行数据帧的帧完成标志，此时无论移位寄存器中的１２位数据是否有效，ＣＨ４５１都会将其当作操作命令来处理。应注意的是，在级联电路中，单片机每次输出的串行数据必须是单个ＣＨ４５１的串行数据的位数乘以级联的级数。下面是该电路的驱动程序；主程序需要定义的参数ＤＣＬＫ ＢＩＴ Ｐ１．１ ；串行数据时钟，上升沿激活ＤＩＮ ＢＩＴ Ｐ１．０ ；串行数据输入ＬＯＡＤ ＢＩＴ Ｐ１．２ ；串行命令加载，上升沿激活ＤＯＵＴ ＢＩＴ Ｐ３．２ ；接ＩＮＴ０，键盘中断和键值数据输出ＫＥＹ ＤＡＴＡ ７ＦＨ ；存放键盘中断时读取的键值；＊＊＊＊＊＊＊ 初始化子程序 ＊＊＊＊＊＊＊ＩＮＩＴ ＣＬＲ ＤＩＮ ；先低后高，输出上升沿通知ＣＨ４５１选择４线串行接口ＳＥＴＢ ＤＣＬＫ ；置为默认的高电平ＳＥＴＢ ＤＩＮＳＥＴＢ ＬＯＡＤＳＥＴＢ ＤＯＵＴ ；置为输入ＭＯＶ Ｂ＃０４Ｈ ；设置系统参数命令ＭＯＶ Ａ＃０７Ｈ ； Ｗａｔｃｈ－Ｄｏｇ使能，开键盘、显示功能ＬＣＡＬＬ ＷＲＩＴＥＭＯＶ Ｂ＃０３Ｈ ；设置移位命令ＭＯＶ Ａ＃００Ｈ ；开环左移ＬＣＡＬＬ ＷＲＩＴＥＭＯＶ Ｂ＃０５Ｈ ；设置显示参数
　　ＭＯＶ Ａ＃００Ｈ ；不译码，８位显示，最亮ＬＣＡＬＬ ＷＲＩＴＥＭＯＶ Ｂ＃０６Ｈ ；设置闪烁控制ＭＯＶ Ａ＃００Ｈ ；不闪烁ＬＣＡＬＬ ＷＲＩＴＥＣＬＲ ＩＴ０ ；置外部信号为低电平触发ＣＬＲ ＩＥ０ ；清中断标志ＳＥＴＢ ＥＸ０ ；允许键盘中断ＳＥＴＢ ＥＡＲＥＴ；＊＊＊＊＊＊＊ 输出命令子程序 ＊＊＊＊＊＊；入参：Ｂ、ＡＣＣ待写的１２位数据 低８位在ＡＣＣ中 高４位在Ｂ的低４位中ＷＲＩＴＥ ＣＬＲ ＥＸ０ ；禁止键盘中断ＣＬＲ ＬＯＡＤ ；命令开始，此命令可以放在后面ＭＯＶ Ｒ７＃０８Ｈ ；将ＡＣＣ中８位送出ＷＲＩＴＥ＿８ＲＲＣ Ａ ；低位在前，高位在后ＣＬＲ ＤＣＬＫＭＯＶ ＤＩＮＣ ；送出一位数据ＳＥＴＢ ＤＣＬＫ ；产生时钟上升沿通知ＣＨ４５１输入位数据ＤＪＮＺ Ｒ７ ＷＲＩＴＥ ８ ；位数据未完，继续ＭＯＶ ＡＢＭＯＶ Ｒ７＃０４Ｈ ；将Ｂ中４位送出ＷＲＩＴＥ ４ＲＲＣ Ａ ；低位在前高位在后ＣＬＲ ＤＣＬＫＭＯＶ ＤＩＮＣＳＥＴＢ ＤＣＬＫＤＪＮＺ Ｒ７ ＷＲＩＴＥ ４ＳＥＴＢ ＬＯＡＤ ；产生加载上升沿通知ＣＨ４５１处理命令数据ＳＥＴＢ ＥＸ０ ；允许键盘中断ＲＥＴ＊＊＊＊＊＊＊ 输入键值子程序 ＊＊＊＊＊＊ 出参 ＡＣＣ键值数据ＲＥＡＤ ＣＬＲ ＥＸ０ ；禁止键盘中断ＣＬＲ ＬＯＡＤ ；命令开始ＭＯＶ Ａ＃０７Ｈ ；读取键值命令的高４位０１１１ＢＭＯＶ 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 ＤＣＬＫＭＯＶ ＤＩＮＣＳＥＴＢ ＤＣＬＫＤＪＮＺ Ｒ７ ＲＥＡＤ ４ＳＥＴＢ ＬＯＡＤ ；产生加载上升沿通知ＣＨ４５１处理命令数据ＣＬＲ Ａ ；先清除键值单元以便移位ＭＯＶ Ｒ７＃０７Ｈ ；读入７位键值ＲＥＡＤ＿７ ＭＯＶ ＣＤＯＵＴ ；读入一位数据ＣＬＲ ＤＣＬＫ ；产生时钟下降沿通知ＣＨ４５１输出下一位ＲＬＣ Ａ ；数据移入ＡＣＣ，高位在前，低位在后ＳＥＴＢ ＤＣＬＫＤＪＮＺ Ｒ７ ＲＥＡＤ＿７ ；位数据未完继续ＣＬＲ ＩＥ０ ；清中断标志，读操作过程中有低电平脉冲ＳＥＴＢ ＥＸ０ ；允许键盘中断ＲＥＴ
４　结束语用ＣＨ４５１扩展键盘显示接口，具有接口简单、占用ＣＰＵ资源少、外围器件简单、性能价格比高等优点，可在各种单片机系统中得到广泛的应用。