摘 要：針對大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)鍵盤顯示電路復(fù)雜、不靈活、維護(hù)困難等問題，結(jié)合指紋識別系統(tǒng)在汽車安全領(lǐng)域的應(yīng)用，介紹了基于I2C總線的數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制芯片CH452S以及擴(kuò)展口器件PCF8574AP在指紋識別系統(tǒng)鍵盤顯示接口中的應(yīng)用，包括硬件電路連接和軟件程序設(shè)計。采用I2C總線，不僅占用端口資源少，電路結(jié)構(gòu)簡單，而且易于電路擴(kuò)展與系統(tǒng)升級。
關(guān)鍵詞: I2C總線; 單片機(jī); PCF8574AP; LCD; CH452S
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本文介紹的指紋識別系統(tǒng)采用單片機(jī)與DSP協(xié)同工作，實現(xiàn)用戶服務(wù)。為此，必須提供一個與用戶進(jìn)行對話的接口，即鍵盤顯示人機(jī)接口。指紋識別系統(tǒng)框圖如圖1所示。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中，鍵盤顯示一般采用微控制器直接與專用集成電路連接，如HD7279A、KS0108等，其所需引腳多、空間大，不利于產(chǎn)品小型化，而且成本高。由于本系統(tǒng)被控對象較多，包括DSP的HPI口、鍵盤顯示、GSM短信報警以及汽車控制接口，端口供需矛盾尤其突出。I2C總線是近年來嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所廣泛采用的總線標(biāo)準(zhǔn)，僅需2根線即可簡單、方便、有效地實現(xiàn)I/O口擴(kuò)展。本文主要介紹利用單片機(jī)普通I/O口模擬I2C總線操作，控制CH452S實現(xiàn)按鍵操作的捕獲，并控制PCF8574AP擴(kuò)展的并行口生成LCD 讀寫控制所需時序，完成指紋識別系統(tǒng)信息顯示。
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1 I2C總線簡述
Inter-Integrated Circuit Bus簡稱I2C總線，是由Philips公司開發(fā)的兩線串行總線，長度可達(dá)25英尺。I2C總線實現(xiàn)系統(tǒng)功能簡單有效，占用空間小，所需芯片管腳數(shù)量少，只須使用2根線即可方便構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)與擴(kuò)展系統(tǒng)，便于系統(tǒng)維護(hù)與升級。這2根線一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL，2條線都必須通過一個上拉電阻連接到正的電源電壓，其數(shù)據(jù)只有在總線空閑時才可傳送[1]。SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時鐘線SCL高電平期間保持穩(wěn)定，否則將被視為起始條件或停止條件。當(dāng)SCL為高電平時，SDA由高電平切換為低電平，則為起始條件；當(dāng)SCL為高電平時，SDA由低電平切換為高電平，則為停止條件，如圖2所示，其中S為起始條件，P為停止條件。
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I2C總線上可以同時有多個I2C器件，每個器件都有唯一的地址識別，而且每個器件可作為主機(jī)，也可作為從機(jī)，可以是發(fā)送器，也可以是接收器，這主要取決于器件所要完成的功能。數(shù)據(jù)傳送格式是以主機(jī)發(fā)送啟動信號開始，接著發(fā)送第一個字節(jié)，此字節(jié)的高7位為從設(shè)備地址，最低位為讀寫控制位。該位為0表示主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，為1表示主機(jī)從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)。總線每次傳送的字節(jié)數(shù)沒有限制，但是各字節(jié)之間必須插入一個應(yīng)答位，數(shù)據(jù)字節(jié)從最高位開始發(fā)送，全部數(shù)據(jù)發(fā)送完后，就發(fā)送停止信號完成一次數(shù)據(jù)傳送。其中，應(yīng)答位是在發(fā)送每個字節(jié)之后主機(jī)發(fā)出第9個時鐘脈沖的高電平期間，發(fā)送器釋放SDA線(高)，接收器拉低SDA線。如果傳輸中存在主機(jī)-接收器，則在最后一個字節(jié)不產(chǎn)生響應(yīng)，通知從機(jī)-發(fā)送器數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，其傳輸格式如圖3所示。
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2?硬件電路設(shè)計
在指紋識別系統(tǒng)中，單片機(jī)負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)級事務(wù)，監(jiān)控鍵盤的按鍵操作和LCD的顯示。鍵盤用于完成用戶操作指令的輸入，使得用戶可以借助鍵盤輸入指令實現(xiàn)指紋識別系統(tǒng)的操作，而LCD用于顯示系統(tǒng)操作菜單以及系統(tǒng)反饋的提示信息和處理結(jié)果。
單片機(jī)采用Philips的P89C58，該款單片機(jī)基于80C51內(nèi)核，具有32 KB非易失性只讀程序存儲器、256B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM、32個雙向I/O口、3個16位定時/計數(shù)器、6個中斷源[2]。
鍵盤控制采用南京沁恒電子公司的CH452S，CH452S是數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制芯片，內(nèi)置時鐘振蕩電路，可以驅(qū)動8位數(shù)碼管并進(jìn)行64鍵鍵盤掃描[3]，具有4線接口和2線接口，其中2線接口支持I2C總線。
顯示采用小尺寸的LCD，帶有僅寫入的SPI接口，由擴(kuò)展口芯片PCF8574AP的并行口控制。PCF8574AP是Philips公司推出的一款帶有I2C總線硬件接口的擴(kuò)展口芯片，具有8位I/O口，且每一位都可獨立作為輸入輸出線。I/O口帶輸出鎖存，具有大電流驅(qū)動，可直接驅(qū)動LED[4]。
由于該單片機(jī)P89C58不帶I2C硬件接口，因此，利用單片機(jī)的2個I/O口模擬I2C總線，總線的數(shù)據(jù)線接單片機(jī)的外部中斷1端口P3.3，時鐘線接單片機(jī)的P3.4端口，電路連接如圖4所示。
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在應(yīng)用中，CH452S采用標(biāo)準(zhǔn)2線接口，串行數(shù)據(jù)時鐘輸入線SCL和串行數(shù)據(jù)輸入、輸出線SDA，按鍵中斷輸出方式為低電平脈沖。在掃描鍵盤期間，DIG7~DIG0引腳用于列掃描輸出，SEG7～SEG0引腳都帶有內(nèi)部下拉電阻，用于行掃描輸入。鍵盤掃描是由CH452S自動完成的，當(dāng)檢測到有效按鍵時，會以中斷的方式通知單片機(jī)進(jìn)行處理。根據(jù)本系統(tǒng)需要，設(shè)計了4×4的鍵盤矩陣。用戶通過操作鍵盤對系統(tǒng)進(jìn)行控制和使用，鍵盤按扭的功能定義如下：(1)數(shù)字鍵：輸入數(shù)字0～9；(2)確定鍵：確認(rèn)當(dāng)前操作；(3)取消鍵：取消當(dāng)前操作；(4)注冊鍵：進(jìn)入用戶指紋注冊界面；(5)登錄鍵：進(jìn)入用戶指紋登錄界面；(6)刪除鍵：進(jìn)入用戶指紋刪除界面；(7)模式鍵：進(jìn)入模式功能選擇界面。由于CH452S不支持組合鍵，如果有多個鍵同時按下，那么按鍵代碼小的為有效按鍵。
單片機(jī)對LCD顯示的控制是通過I2C總線讀寫PCF8574AP擴(kuò)展口，生成LCD讀寫時序?qū)崿F(xiàn)的，數(shù)據(jù)傳輸格式如圖3所示。對于PCF8574AP器件來說，從機(jī)地址為0x70。由于LCD僅采用寫入的SPI接口方式，所以無須用到對PCF8574AP讀操作，但在實際應(yīng)用中，PCF8574AP作為輸入時應(yīng)置口鎖存器為高電平，即在讀PCF8574AP前需要將PCF8574AP擴(kuò)展口全部置為1狀態(tài)。
3? 軟件程序設(shè)計
指紋識別系統(tǒng)的主控程序是由單片機(jī)來完成的，監(jiān)控鍵盤和LCD顯示是其中的一部分。由于單片機(jī)不帶硬件I2C接口，所以I2C協(xié)議通過模擬實現(xiàn)，此協(xié)議比較簡單，主要包括啟動總線、結(jié)束總線、發(fā)送數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)、獲取響應(yīng)、發(fā)送響應(yīng)。鍵盤控制芯片CH452S定義了空操作、復(fù)位、設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)、讀取按鍵代碼、進(jìn)入睡眠狀態(tài)等23條操作命令，單片機(jī)通過I/O口模擬I2C總線發(fā)送操作命令。LCD采用SPI接口，包括復(fù)位、片選、數(shù)據(jù)/命令、串行數(shù)據(jù)、時鐘5條線，分別由PCF8574AP擴(kuò)展的5個I/O口控制，改變狀態(tài)只須往PCF8574AP寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)即可。系統(tǒng)共設(shè)有16個按鍵，當(dāng)CH452檢測到有效按鍵時，將等到SCL和SDA空閑后從SDA輸出幾個微秒寬度的低電平脈沖作為鍵盤的中斷信號。單片機(jī)響應(yīng)鍵盤中斷請求后，向CH452S發(fā)送讀取按鍵代碼命令，CH452S將從SDA線輸出按鍵代碼。為了提高系統(tǒng)運行效率、減少中斷處理時間，中斷服務(wù)程序只設(shè)置鍵盤的中斷標(biāo)志(此中斷標(biāo)志為自設(shè)變量)，將讀取按鍵代碼子程序放在中斷外主控程序執(zhí)行，程序流程圖如圖5所示。
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系統(tǒng)在上電后，主控程序首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)初始化、CH452S初始化、LCD顯示初始化、I2C總線初始化等，然后進(jìn)入死循環(huán)。在循環(huán)中，程序等待中斷。當(dāng)有中斷發(fā)生后，在中斷服務(wù)程序置位相應(yīng)的中斷標(biāo)志位，然后退出中斷等待，進(jìn)入中斷查詢，看是哪種類型的中斷。如果是鍵盤中斷，則單片機(jī)通過I2C總線向CH452S發(fā)送讀取按鍵代碼命令；如果是其他中斷，則處理其他信息。最后進(jìn)行按鍵處理和更新LCD顯示，供用戶進(jìn)一步操作。隨后又回到等待中斷循環(huán)中，如此不停地循環(huán)反復(fù)。
本文介紹了采用I2C總線實現(xiàn)對指紋識別系統(tǒng)鍵盤及LCD顯示的控制，經(jīng)過實踐證明，此方案構(gòu)建的鍵盤顯示人機(jī)接口可實現(xiàn)正常的按鍵捕獲和信息顯示，是一種簡單實用、穩(wěn)定可靠的設(shè)計方案。該方案節(jié)約了單片機(jī)端口引腳資源，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，軟硬件實現(xiàn)容易，成本低廉，而且易于系統(tǒng)功能擴(kuò)展。本文介紹的方法，只須經(jīng)過簡單適當(dāng)修改，即可應(yīng)用于其他嵌入式系統(tǒng)場合，很值得推廣使用。
參考文獻(xiàn)
[1]?I2C總線規(guī)范[EB/OL]. http://www.zlgmcu.com/philips/iic/xuanxing/.2008.
[2]?P89C58手冊[EB/OL]. http://www.zlgmcu.com/philips/80c51/shouce/p89c5x/.2008.
[3] 數(shù)碼管驅(qū)動及鍵盤控制芯片CH452中文手冊[EB/OL]. http://wch.cn/.2008.
[4]?PCF8574AP手冊[EB/OL]. http://www.zlgmcu.com/philips/iic/ePDF/.2008.