鍵盤顯示芯片CH451與MEGA32的接口設(shè)計

???在水泥生料率值配料系統(tǒng)中需要監(jiān)控水泥廠的多條生產(chǎn)線。它的硬件單元率值配料下位機硬件系統(tǒng)需要多個數(shù)碼管和二極管來顯示工況，并且還需要鍵盤控制。如果采用一般的顯示方案則元器件多且復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低，成本加大。采用集成了鍵盤顯示功能的驅(qū)動芯片CH451后使設(shè)計方案大大簡化，更具經(jīng)濟性和可靠性。

???????1 鍵盤顯示方案比較

???????很多以單片機為核心的儀器儀表都需要數(shù)碼管顯示和鍵盤掃描。在單片機的開發(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(yīng)用系統(tǒng)的需要，從而造成系統(tǒng)龐大，同時也降低了系統(tǒng)的可靠性。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤顯示通?？刹捎萌缦?種方案。

???????1.1 經(jīng)典方案：使用8279芯片

???????采用并行接口的鍵盤顯示專用芯片8279，該芯片是Intel于20世紀(jì)80年代首先推出的，應(yīng)用較成熟，但所需外圍元件(顯示驅(qū)動、譯碼等)多、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。

???????1.2 自由方案：使用輔助單片機

???????在儀器的主控單片機之外，另外使用一個輔助的單片機專門做顯示驅(qū)動和鍵盤掃描。為了提高串行接口的速度，輔助單片機需要盡可能高的系統(tǒng)時鐘，而參考單片機廠商的說明，采用低成本的外部阻容振蕩很難穩(wěn)定地工作在10 MHz以上。所以在工業(yè)現(xiàn)場，輔助單片機很可能因為阻容振蕩頻率太高而受到干擾，甚至內(nèi)部程序跑飛或者意外死鎖。其優(yōu)點是靈活，缺點是元器件多，速度慢，易受干擾，綜合成本高。

???????1.3 新方案：使用CH451芯片

???????CH451由南京沁恒電子公司生產(chǎn)，是以硬件實現(xiàn)的多功能外圍芯片，使用串行接口，支持顯示驅(qū)動和鍵盤掃描以及μP監(jiān)控，外圍元器件極少，非常適合作為單片機的外圍輔助芯片，工作原理如圖1所示。

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???????CH451的特點是：

???????a) 具有大電流驅(qū)動能力，段電流不小于25 mA，字電流不小于150 mA，平均段電流是輔助單片機方案的8倍，而且非連續(xù)的電流驅(qū)動能力更高。

???????b) 用硬件實現(xiàn)，串行接口、顯示驅(qū)動、鍵盤掃描、μP監(jiān)控之間相互獨立不受干擾，串行接口的位時鐘能夠支持到10 MHz，數(shù)據(jù)傳輸速度比輔助單片機方案提高40倍，即使主控單片機頻繁操作也完全不會影響顯示驅(qū)動和鍵盤掃描以及μP監(jiān)控。

???????c) 串行接口以硬件實現(xiàn)，不需要時鐘；而顯示驅(qū)動和鍵盤掃描使用約0.75 MHz的全內(nèi)置主時鐘多次分頻后的掃描時鐘，所以在工業(yè)現(xiàn)場不易受到干擾。即使受到強干擾，也能夠在干擾后立即正常工作，不會影響串行接口、顯示驅(qū)動和鍵盤掃描的后續(xù)操作。

???????d) 內(nèi)置振蕩和上電復(fù)位以及看門狗電路，不但不需要外部提供時鐘和外部復(fù)位輸入，還能夠向外部的主控單片機提供上電復(fù)位和看門狗電路，進(jìn)一步降低產(chǎn)品的成本，提供產(chǎn)品的可靠性。

???????現(xiàn)在與CH451類似的還有北京凌志比高科技的BC7281、hd7279a等，這些都是相當(dāng)不錯的顯示和鍵盤接口芯片。

???????2 硬件設(shè)計

???????選用AMEG32作為主控芯片，晶振為8 MHz，因AVR單片機大多數(shù)指令僅需要1個時鐘周期，而很多MCS-51類型的單片機指令為12個時鐘周期，所以AVR單片機在同樣晶振條件下比MCS-51快得多。CH451的串行接口的位時鐘最快能支持10 MHz，所以用8 MHz的AMEGA32能夠與CH451進(jìn)行通信。

???????CH451芯片連線簡單，一片CH451僅需要4根信號線就可以實現(xiàn)。4根信號線包括：串行數(shù)據(jù)輸入線DIN、串行數(shù)據(jù)時鐘線DCLK、串行數(shù)據(jù)加載線LOAD、串行數(shù)據(jù)輸出線DOUT。每增加一片CH451只需要增加一根串行數(shù)據(jù)加載線即可。在率值配料硬件系統(tǒng)中應(yīng)用2片CH451進(jìn)行并行級聯(lián)，一片用來直接驅(qū)動6個共陰極數(shù)碼管和讀取8個按鈕信息，另一片用來驅(qū)動24個發(fā)光二極管。硬件電路如圖2所示。

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???????盡管AVR自帶SPI接口，但是考慮到CH451并不是真正意義上的SPI接口，它只是具有硬件實現(xiàn)的高速4線串行接口，所以必須用軟件模擬的方式對CH451進(jìn)行控制。

???????3 軟件設(shè)計

???????AVR的集成開發(fā)環(huán)境種類比較多，如ICCAVR、WINAVR、BASCOM-AVR、IAR、CodeVisionAVR等，因此造成程序之間難以完全兼容，這也是目前開發(fā)的一個缺點。這里選擇ICCAVR作為開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用C語言來實現(xiàn)程序。因為ICCAVR在我國有廣泛的使用者，用C語言進(jìn)行軟件開發(fā)可以很好地實現(xiàn)代碼的可讀性和移植性，大幅度加快開發(fā)進(jìn)度。

???????CH451具有硬件實現(xiàn)的高速4線串行接口，包括4個信號線：串行數(shù)據(jù)輸入線DIN、串行數(shù)據(jù)時鐘線DCLK、串行數(shù)據(jù)加載線LOAD、串行數(shù)據(jù)輸出線DOUT。啟用鍵盤掃描功能時序圖如圖3示。

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???????由圖3可知，DIN、DCLK、LOAD作為CH451的輸入其默認(rèn)為高電平，DOUT作為CH451的輸出其默認(rèn)也是高電平。由此，需對AMEG16單片機I／O口初始化。需要注意，AVR單片機I／O口與MCS-51單片機I／O口不同。AVR單片機是標(biāo)準(zhǔn)雙向口，復(fù)位時所有端口處于沒有上拉電阻的輸入狀態(tài)。因此，在使用AVR單片機之前一定要根據(jù)引腳功能定義相對應(yīng)的端口初始化，否則端口很可能在用做輸出時不能正常工作(復(fù)位后默認(rèn)為輸入狀態(tài))。

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???????這4根信號線雖然與SPI總線方式類似，但是不能用AMEG32自帶的SPI接口來對CH451進(jìn)行控制，因為這不符合時序要求。

???????軟件設(shè)計包括CH451的初始化、顯示和讀按鍵3部分。初始化包括對CH451的設(shè)置，如開顯示、鍵盤功能、設(shè)置BCD譯碼方式等。顯示部分對6個數(shù)碼管分時輪流顯示，通過加載字?jǐn)?shù)據(jù)命令來顯示每個數(shù)碼管的數(shù)字。讀按鍵則是加載CH451的讀取按鍵代碼命令。單片機可以通過查詢或者外部中斷方式來讀取。

???????6個數(shù)碼管顯示和讀取8個按鍵信息主要用到的函數(shù)如下：

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???????顯示24個發(fā)光二極管用到的函數(shù)如下：

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???????須注意的問題是：由于CH451驅(qū)動數(shù)碼管或者LED的電流較大，會在電源上產(chǎn)生較大的毛刺電壓，所以如果電源線或者地線的PCB(印制電路板)布線不合理，將有可能影響單片機或者CH451的穩(wěn)定性。建議不要使用CH451的RTSI功能，在RTSI與地之間加1 000 pF電容。另外，如果由標(biāo)準(zhǔn)MCS-51單片機的I／O引腳對CH451進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的驅(qū)動，通常要加強MCS-51單片機的I／O的上拉能力，以便在遠(yuǎn)距離傳輸時保持較好的數(shù)字信號波形。對于強干擾應(yīng)用環(huán)境，可以定期對CH451進(jìn)行刷新，包括重新設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)、重新設(shè)定顯示參數(shù)、重新設(shè)定閃爍控制、重新加載各個顯示數(shù)據(jù)。

???????4 結(jié)束語

???????本文詳細(xì)介紹了CH451與AMEG32的接口方案，并給出了具體的程序設(shè)計，現(xiàn)場實際運行穩(wěn)定可靠。運用這些集成的鍵盤顯示驅(qū)動芯片可以大大簡化外圍器件，節(jié)省單片機I／O口，提高系統(tǒng)的可靠性。