基于I2C總線的串行鍵盤電路設(shè)計(jì)

一、概述

本文介紹一種采用MAX7348 的串行I2C 總線的鍵盤電路以及驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)。

I2C 需要連線少，僅需一條串行時鐘線和一條串行數(shù)據(jù)線。允許多主機(jī)控制，具有裁決和同步功能，可隨意添加或摘除總線上的子器件等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

二、MAX7348

MAX7348 是美國MAXIM 公司生產(chǎn)的2 線接口、低EMI 鍵盤開關(guān)和發(fā)聲控制器，可監(jiān)控多達(dá)40 個按鍵，可對按鍵去抖并保存在FIFO 中，去抖時間用戶可在9 ~ 40ms 之間任意設(shè)置，MAX7348 自帶的音調(diào)發(fā)生器在控制器的作用下可自動發(fā)出按鍵聲和報警聲，在發(fā)聲期間，輸出還可以設(shè)置為高電平或低電平，以驅(qū)動電子發(fā)聲器、繼電器或指示燈。

芯片采用400Kps,5.5V 容限2 線串行接口，工作電壓2.4 ~ 3.6V,4 個I2C 地址選擇。與MAX7348同系列的還有MAX7347 和MAX7349 等。

1. 引腳圖

如圖1 所示，SDA 、SCL 分別是兼容I2C 串行總線的數(shù)據(jù)、時鐘接口，使用時通常需要接一個典型值為4.7kΩ 的上拉電阻;ROW0 ~ ROW8 為鍵盤矩陣行輸入端口，不用時開路;COL0 ~ COL4為鍵盤矩陣列輸出端口;SOUNDER 為發(fā)聲器輸出端口，該輸出為推挽結(jié)構(gòu)，通常與地之間接一個壓電陶瓷片或其他發(fā)聲設(shè)備;INT 為中斷輸出端口;ADO 為地址輸入端口，用來設(shè)置器件的從地址，該引腳接GND、V+、SDA、SCL 可形成4 種邏輯組合構(gòu)成MAX7348 的4 個可選的I2C 地址，如表1 ;GND 為接地端，V+ 接電源(2.4 ~ 3.6V)。

表1 2線接口地址分配表

2. 主要內(nèi)部寄存器

(1) 按鍵FIFO 寄存器(00H) 該寄存器包含與按鍵FIFO 狀態(tài)有關(guān)的信息，以及那些經(jīng)過去抖的事件信息，該寄存器的D0 ~ D5 位表示按鍵中的那些鍵已去抖，D6 指明當(dāng)前去抖按鍵是否是FIFO 中的最后一個;D7 位是溢出標(biāo)志，它表示按鍵FIFO 是否溢出。讀按鍵掃描FIFO 將清除中斷信號，但是只有通過執(zhí)行足夠次數(shù)的讀操作清空FIFO后才能再次產(chǎn)生中斷(INT)信號。

(2)去抖寄存器( 01H) 該寄存器用來設(shè)置每一個去抖周期的時間，以及使能和禁用GPO 端口，其中D0 ~ D4 位用來在9 ~ 40ms 范圍內(nèi)設(shè)置去抖時間，步長1ms,D5 ~ D7 用來設(shè)置使能那一個GPO 端口(表2)。

表2 去抖寄存器設(shè)置

(3)自動重復(fù)寄存器( 02H)該寄存器用來設(shè)置自動重復(fù)頻率及其延時。當(dāng)按鍵按下且沒有釋放時，自動重復(fù)功能允許連續(xù)觸發(fā)按鍵事件。自動重復(fù)延時規(guī)定了第一次按下按鍵與開始重復(fù)之間的時間(如果按鍵沒有釋放)。自動重復(fù)頻率規(guī)定了自動重復(fù)開始后按鍵事件連續(xù)觸發(fā)的速度。D0 ~ D3設(shè)定自動重復(fù)延時，范圍從8 個去抖周期到128 個去抖周期。D4 ~ D6 位規(guī)定重復(fù)頻率，范圍是4 到32 個去抖周期，D7 位是自動重復(fù)功能使能位(如表3 所示)。

表3 自動重復(fù)寄存器

(4) 中斷寄存器( 03H) 該寄存器包含與中斷請求功能設(shè)置有關(guān)的信息，以及INT 輸出的狀態(tài)，INT 輸出也可配置為GPO.中斷寄存器是只讀寄存器，向該寄存器寫入數(shù)據(jù)無效。

(5)配置寄存器(04H)該寄存器反映發(fā)聲器的狀態(tài)、控制I2C 總線超時、使能報警輸入中斷、使能發(fā)聲器對報警輸入和按鍵去抖時間做出響應(yīng)，以及控制器件關(guān)斷等。該寄存器結(jié)構(gòu)如表4 所示，除D1、D2 設(shè)定發(fā)聲器輸出狀態(tài)外，其余每一位對應(yīng)一個控制狀態(tài)，用戶可根據(jù)需要使能(置1)或禁止(置0)。

表4 配置寄存器結(jié)構(gòu)

(6)按鍵發(fā)聲寄存器( 06H) 如果配置寄存器(04H)中使能按鍵發(fā)聲，那么當(dāng)一個鍵或一組鍵去抖后，發(fā)聲控制器將發(fā)出聲音，并由按鍵發(fā)聲寄存器設(shè)定發(fā)聲的時間和頻率。

除以上幾個主要寄存器外還有端口寄存器、報警聲寄存器、發(fā)聲器寄存器等多個寄存器，這些寄存器主要用于控制發(fā)聲器和擴(kuò)展GPO 端口，在此不做詳細(xì)敘述，感興趣的讀者可以自行查閱有關(guān)MAX7348 的技術(shù)資料。

三、電路設(shè)計(jì)

圖2 是筆者設(shè)計(jì)的MAX7348 應(yīng)用電路，該電路以凌陽(SPCE061A)單片機(jī)為主控制器，結(jié)合MAX7348 構(gòu)成了一個具有40 個按鍵的鍵盤電路，通過程序可以設(shè)置按鍵發(fā)聲、自動連續(xù)按鍵、中斷輸出等功能。MAX7348 的SDA、SCL、INT 分別與SPCE061A 單片機(jī)的IOB0、IOB1、IOB2(注：SPCE061A 單片機(jī)的IOB2 為外部中斷1 的輸入口)連接，由于I2C 總線允許掛接多個從機(jī)，所以在實(shí)際使用中，可以將多個不同從機(jī)地址的設(shè)備掛接在同一總線上，為單片機(jī)節(jié)約大量的硬件資源。

四、軟件編寫

在圖2 所示的鍵盤電路中，由于MAX7348 只具有兼容的I2C 接口，而SPCE061A 單片機(jī)本身不具備I2C 接口，要實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)傳輸，通常采用通用IO 口軟件模擬I2C 的方式來實(shí)現(xiàn)。圖3 是MAX7348 的總線時序。

由圖3 所示的時序圖可以看出，用軟件模擬I2C 總線的傳輸時序，大致要經(jīng)歷構(gòu)造開始條件、發(fā)送從機(jī)地址(含讀寫標(biāo)志位)、等待從機(jī)響應(yīng)、發(fā)送(或讀取)1 個字節(jié)數(shù)據(jù)(或命令)、源程序請從www.ele169.com 下載。

筆者編寫的模擬I2C 總線驅(qū)動程序，經(jīng)過多次調(diào)試，程序符合I2C 總線傳輸時序要求，與I2C總線設(shè)備通訊可靠，但需要注意的一點(diǎn)是：以上代碼是在SPCE061A 單片機(jī)默認(rèn)時鐘頻率(24M)的情況下編寫的，如果采用較高的系統(tǒng)時鐘，需要在部分代碼中間添加一些延時程序，否則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，造成通訊錯誤。

五、小結(jié)

本文介紹的MAX7348 與單片機(jī)的接口具有電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，節(jié)省了單片機(jī)的IO 口，提高了鍵盤電路的穩(wěn)定性和可靠性，在筆者制作的5 層電梯模型中工作穩(wěn)定，性能可靠，是一種值得推廣的鍵盤擴(kuò)展方案，可應(yīng)用在工業(yè)控制、PDA、醫(yī)療器械等多個領(lǐng)域。