电子设计创新训练（提高）第四章 常用典型外设使用方法与编程技术

第四章常用典型外设使用方法与编程技术,4-1常用键盘与显示器接口,单片机的应用越来越广泛，因此它的接口也是品种繁多，但是从类别上看，也不过是人机接口、模入模出和开入开出这么几类。在速度要求不是很高的情况下，从系统的简洁性考虑，目前MCU的系统中，串行接口的器件获得了越来越多的应用。串行器件的操作目前主要有三种接口标准：移位寄存器方式、SPI标准接口和I2C总线。本章将就一些常见的接口类型进行一些介绍，主要是讨论接口驱动编程。并口器件的驱动相对简单，而且几乎所有的接口类参考书中都有很详尽的介绍，因此本章不介绍标准并口器件的驱动，而是侧重于串行器件和简洁灵活的接口应用及编程介绍。,一、键盘接口驱动程序设计,图4-144扫描键盘电路,扫描式键盘是MCU系统中常用的输入设备，本小节的例子是使用51单片机的一个八位I/O口设计一组16键的小键盘。16键的小键盘比较常用，采用44方式，市场上甚至有很多成品的薄膜式16键盘组出售。见图4-1是本例的硬件原理图，采用51的P1口完成键盘硬件驱动。它的检测原理是：P1.4P1.7作为4行键盘的分时低电平驱动输出，P1.0P1.3作为4列键盘按键的输入检测。无键盘按下时，输入检测中P1.0P1.3获得的结果是高电平，而有按键输入时，扫描到相应按键所在行时，列输出将有低电平存在，根据输出和输入状态就可以确定是那个按键按下。,这里需要指出的是，在P1.0P1.3上分别加了10K的上拉电阻，使用目的是辅助上拉，保证无按键时输入高电平。尽管单片机的P1口有内部上拉，但很微弱，当键盘连接线很短时，可以不加上拉电阻，如果键盘连接线比较长，容易受到干扰，则需要使用这四只上拉电阻。下面是具体的驱动程序：,/键盘扫描函数，无键盘返回0，有则返回0 xf00 xff，低4位的0f表示键值号，高位标示有按键。key_scan_dat()unsignedchardataI,j,k；unsignedcharcodek_dat17=0 xe7,0 xd7,0 xb7,0 x77,0 xeb,0 xdb,0 xbb,0 x7b,0 xed,0 xdd,0 xbd,0 x7d,0 xee,0 xde,0 xbe,0 x7e,0 x00；/定义0F共16个键的行列扫描结果，制作键值时用，多定义了一个空白符用于非法按键判别P1=0 xff；/准备扫描，P1口全部输出高电平j=0 xf7；/准备扫描，下一个为P1.4，依次为P1.5、P1.6、P1.7k=0 x0f/预置输入状态为无键盘，准备输入while(j!=0 x70)/定义显示数据变量，为无符号整形unsignedchardatadiscount=0;/定义扫描显示状态变量，为03/T0中断函数，2ms间隔，每次扫描一位LED，4个扫描周期循环扫描4位LED。voidt0_int()interrupt1TH0=63536/256;/中断入口重新初始化计数器TL0=63536%256;switch(discount)/根据扫描状态计数器扫描4个LED中的1个case0:P1=(disdat/1000)/扫描十位,break;case3:P1=(disdat%1000)%100)%10),本例软件相当简洁，但该例有一些应用限制，首先是没有小数点显示，如果需要显示小数点，也只能在硬件上接固定位置的小数点，例如在图4-2中的LED3的小数点段上对+5V电源接一个150电阻就可以点亮十位上的小数点。其次是这个显示器没有考虑显示负数的问题，并且它的入口参数disdat的值不能超过9999。,（二）LED静态驱动方法及驱动程序在LED显示应用领域中，一般要求控制芯片使用简单、功能多样化、多级灰度调节、外围电路精简可靠、译码与功率驱动于一体。MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。MAX7219与SPI、QSPI以及MICROWIRE相兼容，同时它有限制回转电流的段驱动来减少EMI（电磁干扰）。一个方便的四线串行接口可以联接所有通用的微处理器。每个数据可以寻址在更新时不需要改写所有的显示。MAX7219/MAX7221同样允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。整个设备包含一个150A的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据，还有一个让所有LED发光的检测模式。当使用多于8位LED时，只需将N片级联，便可轻松实现N8位LED显示。当N8时，应考虑到提高总线驱动能力。,图4-3MAX7219引脚,表4-1MAX7219引脚功能表,图4-4MAX7219内部结构原理图,图4-5MAX7219操作时序图,详细描述（一）MAX7219硬件特点（1）：MAX7219的段驱动有上升速度限制，可以减少EMI；（2）：MAX7219的串行口和SPI完全兼容。（二）串行地址格式对MAX7219来说，串行数据在DIN输入16位数据包，无论LOAD端处于何种状态，在时钟的上升沿数据均移入到内部16位移位寄存器。然后数据在LOAD/的上升沿被载入数据寄存器或控制寄存器。LOAD/端在第16个时钟的上升沿同时或之后，下个时钟上升沿之前变为高电平，否则数据将会丢失。在DIN端的数据传输到移位寄存器在16.5个时钟周期之后出现在DOUT端。数据位标记为D0-D15（如表4-2表示）。D8-D11为寄存器地址位。D0-D7为数据位。D12-D15为无效位。,表4-2MAX7219串行数据格式,表4-3数据寄存器与控制寄存器表,理论上，只使用3根I/O口即可进行多片MAX7219的级联，具体芯片数量只受片选与时钟端的总并联电容限制。采用级联的方法，可以驱动大量的LED。但是级联数量越大，驱动所需要的时间越长，因此在实际使用中，需要对驱动速度、驱动目标的数量及所使用的I/O口进行折中设计。下面的例子是扩展两片MAX7219，但不是采用级联的方法，而是仅二组显示器公用时钟和片选，数据输入采用独立输入端。这样，每扩展一个芯片需要增加一根I/O的开销，速度基本不降低。,图4-6MAX7219静态驱动原理图A,图4-7MAX7219静态驱动原理图B,/显示函数.二组显示器公用时钟和片选(锁存控制).第1,2组为MAX7219./显示函数1,对第1,2组显示器,仅输入一组信息,可以是命令或者数据.voiddisplay0(unsignedcharadd,unsignedchardat1,unsignedchardat2)unsignedchardatai;sclk=0;cs=0;for(i=0;i8;i+)din1=(addi),cs=1;din1=1;din2=1;sclk=1;/显示系统初始化函数voiddisplay_init()display0(0 x0f,0 x00,0 x00);/7219进入工作模式display0(0 x0c,0 xff,0 xff);/上电工作状态display0(0 x0b,0 x07,0 x07);/允许8个LED全部工作display0(0 x0a,0 x05,0 x05);/设定扫描电流占空比display0(0 x09,0 x00,0 x00);/工作在非译码状态/显示函数2,将全部显示器刷新.循环调用显示函数1.默认使用显示缓冲区displaybuf1,2/数组.实际上调用8次.调用前,显示缓冲区已经送好段码（芯片采用非七段译码）.voiddisplay()unsignedchardatai;for(i=0;i8;i+)display0(i+1,displaybuf1i,displaybuf2i);,4-2MCU常用外围串行接口器件驱动程序设计,IMP705/706/707/708和IMP813L等CMOS监控电路能监控电源及电池电压和P/C的工作状况。当电源电压降至4.65V以下（IMP705/707/813L）或4.40V以下（IMP706/708）时，即产生复位。该系列产品能提供多种功能。每个器件在上电、掉电期间及在电压降低的情况下可产生一个复位信号。此外，IMP705/706/813L带有一个1.6秒的看门狗定时器。IMP707/708虽然无看门狗功能，但是同时具有高电平有效和低电平有效的复位输出，IMP813L的引脚和功能与IMP705相同但只具有高电平有效的复位输出。具有1.25V门限的电源故障报警电路可用于检测电池电压和非5V的电源。所有器件都具有手动复位（MR）输入。看门狗定时器的输出如果连接至MR将会触发复位信号。所有器件都具有8脚DIP、SO和MicroSO封装。,一、MCU系统监控芯片IMP705/706/707/708和IMP813L,系列芯片特点：l可替换Maxim公司的MAX705/6/7/8及MAX813Ll精确的电源监控4.65V门限（IMP705/707/813L）4.40V门限（IMP706/708）l去抖动的手动复位输入l电压监控1.25V门限电池监控/辅助电源监控l看门狗定时器（IMP705/706/813L）l200ms复位脉冲宽度l高电平有效的复位输出（IMP707/708/813L）,图4-8监控芯片内部工作原理图,二、EEPROM存储器芯片93C46/56/66,AT93C46/56/66是ATMEL公司推出的低功耗、低电压电可擦除的可编程只读存储器。它采用CMOS技术和FairchildSemiconductor公司的Mi-croWire工业标准线串行接口，具有1KB/2KB/4KB的容量，并可通过ORG管脚配置成1288/2568/5128或6416/12816/25616等结构。该系列存储器可靠性高，能够重复写100万次，数据可以保存100年不丢失；采用8脚PDIP/SOIC封装和14脚SOI封装（SOI封装为JEDEC和EIAJ标准），与并行的EEPROM相比，AT93C46/56/66可大大节省印制板空间，且接线简单，因而在多功能的精密测试仪器中具有广阔的前途。,图4-9AT93C46/56/66引脚排列,表4-493C46引脚功能表,硬件特点：1、低的操作电压和保持电压（1）2.7V版本（2.7Vto5.5V）；（2）1.8V版本（1.8Vto5.5V）；2、接口3线串行；3、操作速度2MHz时钟；4、写入时间10ms最大；5、数据保存时间100年；6、封装形式8-leadPDIP；8-leadJEDECandEIAJSOIC；8-leadTSSOP；,图4-10AT93C46/56/66内部结构图,表4-593C46操作指令表,各指令的具体含义如下：1)擦写允许指令（EWEN）由于在上电复位后AT93C46/56/66首先将处于擦写不允许状态，故该指令必须在所有编程模式前执行，一旦该指令执行后，只要外部没有断电就可以对芯片进行编程。2)地址擦指令（ERASE）该指令用于强迫指定地址中所有数据位都为“1”。一旦信息在DI端上被译码，就需使CS信号保持至少250ns的低电平，然后将CS置为高电平，这时，DO端就会指示“忙”标志。DO为“”，表示编程正在进行；DO为“”，表示该指定地址的寄存器单元已擦完，可以执行下一条指令。3)地址写指令（WRITE）写指令时，先写地址，然后将16位或位的数据写入到指定地址中。当DI端输出最后一个数据位后，在CLK时钟的下一个上升沿以前，CS必须为低，且需至少保持250ns，然后将CS置为高电平。需要说明的是：写周期时，每写一个字节需耗时4ms。4)地址读指令（READ）读指令用于从指定的单元中把数据从高位到低位输出至DO端，但逻辑“0”位先于数据位输出。读指令在CLK的上升沿触发，且需经过一段时间方可稳定。为防止出错，建议在读指令结束后，再输出23个CLK脉冲。5)芯片擦指令（ERAL）该指令可将整个存贮器阵列置为1，其它功能与地址擦指令相同。6)芯片写指令(WRAL)该指令可将命令中指定的数据写入整个存贮器阵列，其它功能与地址写指令相同。该指令周期所花费时间的最大值为30ms。7)擦写禁止指令（EWDS）使用该指令可对写入的数据进行保护，操作步骤与擦写允许指令相同。,图4-1193C46读时序,图4-1293C46写时序,/*写入命令驱动函数,说明:通用前置输入,例如用于EWEN(30H),EWDS(00H)等命令,也可以用于通用读写的前*/*置地址及命令输入,调用后需要拉低CS*/voideeprom_com(command)unsignedcharcommand;unsignedchardatai;eeprom_clk=0;eeprom_cs=1;eeprom_di=1;/*首先写入1位1*/eeprom_clk=1;eeprom_clk=0;bb=command;/*bb为全局bdata型unsignedchar变量*/i=8;while(i!=0)eeprom_di=bb_7;/*对bb字节最高位进行位寻址*/eeprom_clk=1;eeprom_clk=0;bb=bb8;/*bb1是准备写入的字节,先送高8位.*/i=8;while(i!=0)bb=bb1;/*bb是输出的数据.*/eeprom_di=bb1_7;eeprom_clk=1;bb1=bb11;bb_0=eeprom_do;eeprom_clk=0;i-;,x=bb;x=x8;bb1=word;i=8;while(i!=0)bb=bb1;eeprom_di=bb1_7;eeprom_clk=1;bb1=bb11;bb_0=eeprom_do;eeprom_clk=0;i-;y=bb;x=x+y;eeprom_cs=0;dealy(15);/*延时15MS以上，防止写未结束*/eeprom_com(0 x00);/*写禁止*/eeprom_cs=0;eeprom_clk=1;eeprom_di=1;return(x);,三、X5045芯片应用(一)器件功能内含EEPROM的MCU（微处理器）监控芯片X5045将四项功能合于一体：上电复位控制、看门狗定时器、降压管理以及具有块保护功能的串行4KBitEEPROM（5128Bit）。它有助于简化应用系统的设计，减少印刷线路板的占用面积，提高可靠性。,图4-13X5045的引脚排列,上电及掉电检测为CPU提供可靠的电源波动保护；三种可选的看门狗溢出时间能够适应不同反应速度的系统，一旦设定，掉电后依然有效。,（二）操作过程1)上电复位当器件通电并超过VTRIP时，X5045内部的复位电路将会提供一个约为200mS的复位脉冲，让微处理器能够正常复位。2)降压检测工作过程中，X5045检测VCC端的电压下降，并且在VCC电压跌落到VTRIP以下时产生一个复位脉冲，这个复位脉冲一直有效，直到VCC降到1V以下在此过程中保证MCU处于复位状态，避免出现不可预知的错误操作。如果VCC在降落到VTRIP后上升，则在VCC超过VTRIP后延时约200ms，复位信号消失，使得微处理器可以继续工作。3)看门狗定时器看门狗定时器电路监测WDI的输入来判断微处理器是否正常工作，在设定的定时时间以内微处理器必须在WDI引脚上产生一个由高至低的电平变化，否则X5045将产生一个复位信号。可通过状态寄存器的控制位WD1、WD0设置看门狗定时器的溢出时间。4)SPI串行编程EEPROM该芯片内的串行EEPROM是具有Xicor公司的块锁保护CMOS串行4KBitEEPROM（5128Bit）,其擦写周期至少有1000000次，并且写好的数据能够保存100年。芯片控制的指令被组织成一个字节(8bit)，它由一个由四线构成的SPI总线方式进行操作。,表4-6X5045引脚功能表,图4-14X5045与8051连接图,(三)X25045与单片机接口应用MCU（微处理器）监控芯片X5045同AT89C51单片机接口的硬件电路连接方法如图4-14所示。因X5045的RESET端为开漏输出，需通过10K的上拉电阻与AT89C51的RST端相连，以确保微处理器能够正常复位。X25045的WP端通常可接高电平（VCC），为确保系统无误操作，可将WP端与MCU的某一I/O口（如图中P1.4）相连，仅在向X5045进行写操作时将WP端置“1”，否则均将WP置“0”。另外因对X5045的读、写操作不是同时进行的，因此X5045的SI、SO端可公用MCU的一个I/O口（如SI、SO均与P1.2相连接），这样可节省MCU的一个I/O口。由于AT89C51的P1口为准双向口，因此，为了防止数据错位，在向其P1口写数据时，必须先将P1口置“1”。,/x5045子程序:/在实际硬件设计中可以将ep_wip脚接高电平,可以将输入与输/出共用I/O/向5045中写入数据函数voidxinput(unsignedcharv)unsignedchardatav1;for(v1=0;v18;v1+)ep_sck=0;/拉低时钟ep_si=v/输入置1,当输入与输出公用I/O时为输入做准备.,/数据的读出函数/辅助函数:从x5045输入一个字节8位数据,首先输出高位.unsignedcharxout()unsignedchardatav1,x,y;ep_sck=0;/拉低时钟for(v1=0;v18;v1+)ep_sck=1;/拉高时钟x=x1;/输出字节先左移y=ep_so;/获得一位输出x=x|y;/组装输出结果ep_sck=0;returnx;,/辅助函数:写结束测试voidwip_poll()unsignedchardatav;doep_cs=1;ep_cs=0;xinput(0 x05);/准备读状态寄存器v=xout();ep_cs=1;v=v/测试寄存器低位,为零则写结束,/辅助函数:打开写开关,所有写操作前必须运行本程序,命令字为06Hvoidwren()/ep_wip=1;/打开硬件写开关ep_cs=1;ep_cs=0;xinput(0 x06);/发出打开开关命令ep_cs=1;/辅助函数:关闭写开关,所有写操作后必须运行本程序,以防止误写,命令字为04Hvoidwrdi()ep_cs=1;ep_cs=0;xinput(0 x04);ep_cs=1;/ep_wip=0;/关闭硬件写控制I/O,/说明:写状态寄存器,包含WREN_CMD命令./功能:改变块锁定控制位BL1,BL0(D3,D2)及看门狗超时控制/位WD1,WD0(D5,D4)./状态寄存器位状态寄存器位看门狗超时周期/被锁定的地址/BL1BL0WD1WD0（典型值）/00无001.4秒/01180H-1FFH01600毫秒/10100H-1FFH10200毫秒/11000H-1FFH11禁止/,/辅助函数:写状态寄存器,包含WREN_CMD命令./功能:改变块锁定控制位BL1,BL0(D3,D2)及看门狗超时控制位WD1,WD0(D5,D4)voidwrsr(unsignedcharxxxx)wren();/打开写开关ep_cs=1;ep_cs=0;xinput(0 x01);/送入命令xinput(xxxx);ep_cs=1;wip_poll();/测试写结束wrdi();/关闭写开关/辅助函数:读状态寄存器unsignedcharrdsr()unsignedchardatax;ep_cs=1;ep_cs=0;xinput(0 x05);x=xout();ep_cs=1;returnx;,/单字节写子程序,使用中调用wren().如果使用了块锁定,还需要先写状态寄存器/解除锁定./函数带有形参wrdat和wradd,前者为写入的字符型数据,后者为整形地址.voidbyte_write(unsignedcharwrdat,unsignedintwradd)unsignedchardatax;wren();ep_cs=1;ep_cs=0;if(wradd256)/据输入地址决定写前256地址块或者后256块xinput(0 x02);/02表示使用低256区块elsexinput(0 x0a);/0a表示使用高256区块x=wradd%256;/高位地址已经输入，此处只需要输入低8位地址xinput(x);xinput(wrdat);ep_cs=1;wip_poll();wrdi();,/单字节读子程序,本函数返回字符型结果unsignedcharbyte_read(unsignedintrdadd)unsignedchardatax;ep_cs=1;ep_cs=0;if(rdadd8;/写入高字节xinput(x);x=wrdat1%256;/写入低字节xinput(x);ep_cs=1;wip_poll();wrdi();,/双字节读子程序,本函数返回整形结果unsignedintword_read(unsignedintrdadd1)unsignedchardatax;unsignedintdatarddat1;ep_cs=1;ep_cs=0;if(rdadd1256)xinput(0 x03);elsexinput(0 x0b);rddat1=rdadd1%256;xinput(rddat1);x=xout();rddat1=256*x;x=xout();rddat1=rddat1+x;ep_cs=1;return(rddat1);,/看门狗清除函数voidrst_wdog()/如果开启了看门狗使用本函数定时清除它的计数器EA=0;ep_cs=0;/在X5045的片选上制造一个脉冲ep_cs=1;EA=1;/打开块锁定(整个块)voidblock_open()unsignedchardatai;i=rdsr();/打开块锁定i=i,四、A/D及系统监控芯片应用举例阶段总结应用举例，以TLC549与X5045在智能充电器中的应用举例。充电器性能设计要求：1、用于对12V，6AH的镍镉蓄电池组进行充电，1014小时内充满。2、要求尽量为恒流充电，并且充电电流应该逐渐减小。3、具有充电过程指示。4、自动判断充电结束点，并自动停止充电。5、能够对未充分放电的电池自动进行先放电后充电处理。6、整个充电器要求重量轻、坚固，方便外出作业携带。根据要求，分析并设计如下充电电路及控制系统电路方案。,设计方案分析：1、根据要求的35条，完成这样的任务采用MCU作为控制核心来设计系统较合适。任务工作量比较少，宜采用精简的MCU，这里采用ATMEL公司的AT89C2051