作者：李浩 祁隽燕等　

引言

在水泥生料率值配料系统中需要监控水泥厂的多条生产线。它的硬件单元率值配料下位机硬件系统需要多个数码管和二极管来显示工况，并且还需要键盘控制。如果采用一般的显示方案则元器件多且复杂，导致系统可靠性降低，成本加大。采用集成了键盘显示功能的驱动芯片CH451后使设计方案大大简化，更具经济性和可靠性。

1 键盘显示方案比较

很多以单片机为核心的仪器仪表都需要数码管显示和键盘扫描。在单片机的开发过程中，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，从而造成系统庞大，同时也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如下3种方案。

1.1 经典方案：使用8279芯片

采用并行接口的键盘显示专用芯片8279，该芯片是Intel于20世纪80年代首先推出的，应用较成熟，但所需外围元件(显示驱动、译码等)多、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。

1.2 自由方案：使用辅助单片机

在仪器的主控单片机之外，另外使用一个辅助的单片机专门做显示驱动和键盘扫描。为了提高串行接口的速度，辅助单片机需要尽可能高的系统时钟，而参考单片机厂商的说明，采用低成本的外部阻容振荡很难稳定地工作在10 MHz以上。所以在工业现场，辅助单片机很可能因为阻容振荡频率太高而受到干扰，甚至内部程序跑飞或者意外死锁。其优点是灵活，缺点是元器件多，速度慢，易受干扰，综合成本高。

1.3 新方案：使用CH451芯片

CH451由南京沁恒电子公司生产，是以硬件实现的多功能外围芯片，使用串行接口，支持显示驱动和键盘扫描以及μP监控，外围元器件极少，非常适合作为单片机的外围辅助芯片，工作原理如图1所示。

CH451的特点是：

a) 具有大电流驱动能力，段电流不小于25 mA，字电流不小于150 mA，平均段电流是辅助单片机方案的8倍，而且非连续的电流驱动能力更高。

b) 用硬件实现，串行接口、显示驱动、键盘扫描、μP监控之间相互独立不受干扰，串行接口的位时钟能够支持到10 MHz，数据传输速度比辅助单片机方案提高40倍，即使主控单片机频繁操作也完全不会影响显示驱动和键盘扫描以及μP监控。

c) 串行接口以硬件实现，不需要时钟；而显示驱动和键盘扫描使用约0.75 MHz的全内置主时钟多次分频后的扫描时钟，所以在工业现场不易受到干扰。即使受到强干扰，也能够在干扰后立即正常工作，不会影响串行接口、显示驱动和键盘扫描的后续操作。

d) 内置振荡和上电复位以及看门狗电路，不但不需要外部提供时钟和外部复位输入，还能够向外部的主控单片机提供上电复位和看门狗电路，进一步降低产品的成本，提供产品的可靠性。

现在与CH451类似的还有北京凌志比高科技的BC7281、hd7279a等，这些都是相当不错的显示和键盘接口芯片。

2 硬件设计

选用AMEG32作为主控芯片，晶振为8 MHz，因AVR单片机大多数指令仅需要1个时钟周期，而很多MCS-51类型的单片机指令为12个时钟周期，所以AVR单片机在同样晶振条件下比MCS-51快得多。CH451的串行接口的位时钟最快能支持10 MHz，所以用8 MHz的AMEGA32能够与CH451进行通信。

CH451芯片连线简单，一片CH451仅需要4根信号线就可以实现。4根信号线包括：串行数据输入线DIN、串行数据时钟线DCLK、串行数据加载线LOAD、串行数据输出线DOUT。每增加一片CH451只需要增加一根串行数据加载线即可。在率值配料硬件系统中应用2片CH451进行并行级联，一片用来直接驱动6个共阴极数码管和读取8个按钮信息，另一片用来驱动24个发光二极管。硬件电路如图2所示。