数码管显示驱动和键盘扫描控制器CH451及其应用
数码管显示驱动和键盘扫描控制器CH451及其应用 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（显示驱动、译码等）、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（如用８１５５等），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（如Ｍ Ｃ１４４９９、ＰＳ７２１９、ＭＡＸ７２１９、ＩＣＭ７２１８、ＴＬＣ５９ ２１等，大多是串行接口并有显示驱动能力，Ｉ／Ｏ占用少）。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（如显示用ＳＡＡ１０６４，键盘 用ＰＣＦ８５７４），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、ＨＤ７ ２７９、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ＨＤ ７２７９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Ｗａｔ ｃｈ－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 引 脚 说 明 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， 各操作命令如下：
●空操作：００００ｘｘｘｘｘｘｘｘＢ（ｘ可为任意值，下同） 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（后级ＣＨ４５１的ＤＩＮ引脚连接到前级Ｃ Ｈ４５１的ＤＯＵＴ引脚），只要在该操作命令后添加空操作命令００００００ ００００００Ｂ再发送，那么，该操作命令将经过前级ＣＨ４５１到达后级ＣＨ ４５１，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 ＤＩ Ｇ０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 ＤＩ Ｇ０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（默认值）。
● 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（１位）、 扫描极限ＬＩＭＩＴ（３位）、显示亮度ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ（４位）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（或发光管） 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ＢＣ Ｄ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２ ８个字符，其中０００００Ｂ～０１１１１Ｂ分别对应于“０～Ｆ”、１００００ Ｂ～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（默认值）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（默认值）则用于分别设定显示驱动占空比１／１ ６～１５／１６ 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][Ｄ ２Ｓ][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～Ｄ ０Ｓ 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（默认值）。
●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（８位）写入ＤＩＧ＿ ＡＤＤＲ（３位）指定的数据寄存器中。ＤＩＧ＿ＡＤＤＲ的０００Ｂ～１１１ Ｂ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（键按下为１，键释放为０）。例如，连接ＤＩＧ ３与ＳＥＧ４的键被按下时，按键代码为６３Ｈ，键被释放后，按键代码是２３ Ｈ。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。ＣＨ４５ １的段驱动引脚串接的电阻Ｒ１（２００Ω）用于限制和均衡段驱动电流。在５ Ｖ电源电压下，串接２００Ω电阻通常对应１３ｍＡ段电流。ＣＨ４５１具有６ ４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 ＤＩＮ ＳＥＴＢ ＬＯＡＤ ＳＥＴＢ 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 ＷＲＩＴＥ ＭＯＶ Ｂ ＃０３Ｈ ；
设置移位命令 ＭＯＶ Ａ ＃００Ｈ ；
开环左移ＬＣＡＬＬ ＷＲＩＴＥ ＭＯＶ Ｂ ＃０５Ｈ ；
设置显示参数 ＭＯＶ Ａ ＃００Ｈ ；
不译码，８位显示，最亮 ＬＣＡＬＬ ＷＲＩＴＥ ＭＯＶ Ｂ ＃０６Ｈ ；
设置闪烁控制 ＭＯＶ Ａ ＃００Ｈ ；
不闪烁 ＬＣＡＬＬ ＷＲＩＴＥ ＣＬＲ 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 ＥＡ ＲＥＴ ；
＊＊＊＊＊＊＊ 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 ＤＣＬＫ ＭＯＶ 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 Ｂ ＭＯＶ Ｒ７ ＃０４Ｈ ；
将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 ；
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 ；
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 ＤＣＬＫ ＤＪＮＺ 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。