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(jī)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(jì)性和可靠性。

1 鍵盤顯示方案比較

　　很多以單片機(jī)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(jī)的開發(fā)過程中，常常會因?yàn)橘Y源不足而不得不大量擴(kuò)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(jī)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(jī)

　　在儀器的主控單片機(jī)之外，另外使用一個輔助的單片機(jī)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(jī)需要盡可能高

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(shí)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(jī)的外圍輔助芯片，工作原理如圖1所示。

　　CH451的特點(diǎn)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(jī)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(shí)現(xiàn)，串行接口、顯示驅(qū)動、鍵盤掃描、μP監(jiān)控之間相互獨(dú)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(jī)方案提高40倍，即使主控單片機(jī)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(shí)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)指令為12個時鐘周期，所以AVR單片機(jī)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(shí)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。

　　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(shí)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(diǎn)。這里選擇ICCAVR作為開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用C語言來實(shí)現(xiàn)程序。因?yàn)镮CCAVR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(shí)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(shí)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。

　　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(jī)I／O口初始化。需要注意，AVR單片機(jī)I／O口與MCS-51單片機(jī)I／O口不同。AVR單片機(jī)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(jī)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))。


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?yàn)檫@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(jī)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：

　　顯示24個發(fā)光二極管用到的函數(shù)如下：

　　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

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(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定可靠。運(yùn)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(jī)I／O口，提高系統(tǒng)的可靠性。