曹振華，吳健，劉靖陽(yáng)

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息技術(shù)學(xué)院，蘇州　215009）

多按鍵與指示燈混編系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹振華，吳健，劉靖陽(yáng)

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息技術(shù)學(xué)院，蘇州215009）

1　問(wèn)題的提出

指示燈和按鍵式嵌入式領(lǐng)域內(nèi)最常見的元素，指示燈常用來(lái)提示用戶程序運(yùn)行的狀態(tài)、電源工作狀態(tài)、工作進(jìn)展等，經(jīng)常用LED實(shí)現(xiàn)。LED具有使用壽命長(zhǎng)、功耗低、體積小、易控制等優(yōu)點(diǎn)；按鍵則是用戶向嵌入式系統(tǒng)輸入信息的最常用手段。

LED作為最常用的指示燈，在嵌入式領(lǐng)域被廣泛使用，根據(jù)使用數(shù)量的不同，可以分為以下幾種控制策略。

（1）I/O直接驅(qū)動(dòng)法

當(dāng)LED使用數(shù)量較少，例如三兩個(gè)或者7-8個(gè)的情況下，使用的控制端口比較少，特別是三兩個(gè)的情況下，僅使用極少的I/O口即可完成［1］，所以這時(shí)候通常使用直接驅(qū)動(dòng)法，電路如圖1所示。

圖1　直接驅(qū)動(dòng)電路

圖1中，R？為限流電阻，電流通過(guò)VCC供給LED，經(jīng)過(guò)限流電阻后流向單片機(jī)的I/O，當(dāng)I/O為高電平時(shí)，由于LED兩側(cè)電平相等，則無(wú)電流經(jīng)過(guò)LED，所以LED不亮，當(dāng)I/O為低電平時(shí)，電流從VCC流向I/O，從而導(dǎo)致LED點(diǎn)亮，因此起到用I/O控制LED亮滅的功能，即狀態(tài)指示的功能。如果LED的功率較大，則還需要增加三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)功率的放大。

直接驅(qū)動(dòng)法中每個(gè)LED對(duì)應(yīng)特定的單片機(jī)I/O口，因此程序編寫較容易，但是端口復(fù)用性差，比較浪費(fèi)硬件資源，對(duì)于I/O口較少的單片機(jī)不適合用該法做較多的指示燈。

（2）掃描驅(qū)動(dòng)法

掃描驅(qū)動(dòng)法中，每個(gè)LED指示燈對(duì)應(yīng)兩個(gè)I/O口，一個(gè)負(fù)責(zé)輸入，一個(gè)負(fù)責(zé)輸出，但是一個(gè)I/O口，可以接入到多個(gè)指示燈上［2］，如圖2所示。

圖2中，分別用到I/O_A、I/O_B、、I/O_C、I/O_1、I/ O_2和I/O_3共計(jì)6個(gè)I/O口，可以控制9個(gè)LED指示燈。比如控制LED_B2亮起時(shí)，只需要將I/O_B口拉高電平，I/O_2拉低電平即可實(shí)現(xiàn)，I/O_B和I/O_2的其它電平組合都會(huì)使該LED指示燈熄滅。對(duì)于9個(gè)LED指示燈的控制是按照行或者列為單位進(jìn)行控制的，例如要想控制9個(gè)LED燈中的LED_A1、LED_A2、LED_B1和LED_C3亮，按照行的順序控制則需要三個(gè)步驟：（注1代表高電平，0代表低電平）

第一步，I/O_A=1、I/O_B=0、I/O_C=0、I/O_1=0、I/ O_2=0、I/O_3=1、延時(shí)；

第二步，I/O_A=0、I/O_B=1、I/O_C=0、I/O_1=0、I/ O_2=1、I/O_3=1、延時(shí)；

第三步，I/O_A=0、I/O_B=0、I/O_C=1、I/O_1=1、I/ O_2=1、I/O_3=0、延時(shí)；

第三步完成后，上述四個(gè)LED小燈就完成了每個(gè)瞬間亮一次的任務(wù)，但是如果想讓四個(gè)LED燈保持一直亮，就必須持續(xù)重復(fù)三個(gè)步驟，利用人眼的視覺暫留原理，人的眼睛就感覺四個(gè)燈一直在亮［1］。

掃描驅(qū)動(dòng)法中，利于了6個(gè)I/O就可以驅(qū)動(dòng)9個(gè)LED燈，比直接驅(qū)動(dòng)法節(jié)約了3個(gè)I/O，因此，合理安排LED的數(shù)量可以大幅度節(jié)約I/O口硬件資源，但是編程難度較直接驅(qū)動(dòng)法大，而且需要持續(xù)掃描，浪費(fèi)單片機(jī)的寶貴資源。

圖2　直掃描驅(qū)動(dòng)電路

按鍵的驅(qū)動(dòng)法與LED燈的驅(qū)動(dòng)法及其相似，常用的也是直接驅(qū)動(dòng)法和掃描驅(qū)動(dòng)法，不同之處在于鍵盤驅(qū)動(dòng)法中需要加上拉或者下拉電阻，保持按鍵在沒有被按下時(shí)處于穩(wěn)定的電平狀態(tài)，電路圖與1-1、1-2相似，只是在靠近后端I/O口的位置加上拉電阻或者下拉電阻即可，不贅述。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本節(jié)需要設(shè)計(jì)126個(gè)LED指示燈的亮滅，并且采集63個(gè)按鍵的狀態(tài)，原則上每片TM1638可以實(shí)現(xiàn)80 個(gè)LED燈，64個(gè)按鍵狀態(tài)的同時(shí)控制和采集，為了產(chǎn)品的模塊化生產(chǎn)并利于設(shè)備安裝維修，本文將126個(gè)LED指示燈和63個(gè)按鍵分為7個(gè)PCB設(shè)計(jì)制作，每個(gè)PCB使用一片TM1638，所有PCB與單片機(jī)之間僅用10個(gè)I/O口設(shè)計(jì)完成。

TM1638是帶鍵盤掃描接口的LED（發(fā)光二極管顯示器）驅(qū)動(dòng)控制專用電路，內(nèi)部集成有MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED高壓驅(qū)動(dòng)、鍵盤掃描等電路。主要應(yīng)用于冰箱、空調(diào) 、家庭影院等產(chǎn)品的高段位顯示屏驅(qū)動(dòng)。采用SOP28封裝設(shè)計(jì)［3］，引腳如圖3所示。

圖3　TM1638引腳圖

TM1638也是基于掃描驅(qū)動(dòng)法的原理實(shí)現(xiàn)的，TM1638可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描驅(qū)動(dòng)，掃描過(guò)程無(wú)需單片機(jī)干預(yù)，單片機(jī)只需要通過(guò)類IIC接口告訴TM1638需要哪些LED燈亮，然后獲取按鍵信息即可，所以大大降低了對(duì)單片機(jī)性能的要求，圖3中SEGn相當(dāng)于掃描驅(qū)動(dòng)法中的輸出引腳，而GRIDn相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)掃描法中的輸入引腳，LED燈的電流從SEGn中來(lái)，流向GRIDn；按鍵的電流是從KSn中來(lái)，如果有按鍵按下，則流向GRIDn，否則電路短路，GRIDn無(wú)電流回流。

STB引腳為片選信號(hào)，CLK和DI/O兩個(gè)引腳構(gòu)成通信口，在多個(gè)TM1638形成的網(wǎng)絡(luò)中，CLK和DI/O是共用的，只要單獨(dú)設(shè)立STB片選信號(hào)即可。

經(jīng)過(guò)分組設(shè)計(jì)后，每片TM1638PCB只需要控制18個(gè)LED指示燈和采集9個(gè)按鍵的信息，I/O口資源需要用到一個(gè)STB，一個(gè)CLK和一個(gè)DI/O，另外配備5v電源接口，使用5pin的插針接口，電路圖如圖4所示。在通信口及片選口上加18pf的電容，可以有效提高信號(hào)的穩(wěn)定性，據(jù)測(cè)試，通信線在80cm以內(nèi)都可以穩(wěn)定通信，電容必須緊靠TM1638芯片放置。

圖4　接口電路圖

18個(gè)LED指示燈，通過(guò)掃描法的原理可以推斷，只需要用SEG1-SEG9作為輸出線，GRID1和GRID2作為輸入線，即可完成9×2=18的掃描矩陣，因此本文采用此方法進(jìn)行設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　LED燈驅(qū)動(dòng)電路圖

TM1638芯片的KS引腳只有8個(gè)，所以9個(gè)按鍵使用一個(gè)GRID無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此本文采用KS1-KS3和GRID1-GRID3，形成3×3=9的掃描矩陣，驅(qū)動(dòng)電路圖如圖6所示。為了防止多個(gè)按鍵同時(shí)按下時(shí)信號(hào)可能出現(xiàn)混亂的情況，設(shè)計(jì)中必須在SEG引腳與按鍵之間加二極管進(jìn)行電流約束，這樣各個(gè)SEG信號(hào)之間就不會(huì)出現(xiàn)電流回流的現(xiàn)象，避免了按鍵的誤判。

圖6　鍵盤驅(qū)動(dòng)電路圖

在單片機(jī)端，除了要設(shè)計(jì)DI/O和SCK兩個(gè)I/O作為通信口之外，還要設(shè)計(jì)7路片選信號(hào)，即總計(jì)占用9 個(gè)I/O，接口電路如圖7所示。

圖7中，STBn為第n路的片選信號(hào)，對(duì)應(yīng)單片機(jī)的7個(gè)I/O口。

圖7　單片機(jī)端接口電路圖

3　系統(tǒng)驗(yàn)證

根據(jù)第二節(jié)的設(shè)計(jì)思路制作成的單片PCB成品如圖8所示，7片PCB級(jí)聯(lián)之后的產(chǎn)品如圖9所示。

圖8中，粉色部分位于電路板的keepoutlayer，用于固定電路板及按鍵板用，TM1638及級(jí)聯(lián)接線端子位于電路板右側(cè)，按鍵與LED指示燈位于電路板背面。

圖10中，左側(cè)引出線即為級(jí)聯(lián)線，每根為5pin杜邦線，共7組，另一端連接至控制中心單片機(jī)上。

圖8　單片PCB成品

圖9　七片PCB級(jí)聯(lián)圖

圖10　系統(tǒng)顯示效果圖

產(chǎn)品用于蘇州攜手智能科技有限公司與蘇州城時(shí)實(shí)業(yè)有限公司推出的券達(dá)人賣券機(jī)上，經(jīng)過(guò)1年的市場(chǎng)推廣和應(yīng)用，獲得了用戶的一致好評(píng)，產(chǎn)品在吉祥餛飩連鎖機(jī)構(gòu)、果果咖喱連鎖及面勉面餐飲連鎖機(jī)構(gòu)等大型餐飲連鎖機(jī)構(gòu)獲得認(rèn)可，運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品如圖10所示。圖中，產(chǎn)品為了體現(xiàn)層次感和系統(tǒng)功能分區(qū)，上面兩排按鍵和指示燈全部使用，而下面5排的按鍵和指示燈只用了一部分。

［1］胡全．51單片機(jī)的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)［J］．中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2009（13）.

［2］王宜懷．嵌入式系統(tǒng)原理與實(shí)踐［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［3］天徽．TM1638_Ver1.2.pdf［M］．深圳：www.titanmec.com.Titan Micro Electronics，2009.

曹振華（1980～），男，山東臨沂人，碩士，研究方向?yàn)榍度胧綉?yīng)用技術(shù)

吳建（1984-），男，江蘇蘇州人，本科，工程師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用

劉靖陽(yáng)（1993-），男，廣東河源人，大專，在校學(xué)生，研究方向?yàn)榍度胧綉?yīng)用技術(shù)

Many Keys;Many Lights;TM1638;Scanning Matrix

Design and ImplementatI/On of Hybrid System Composed of Many Buttons and Lights

CAO Zhen-hua，WU Jian，LIU Jing-yang
（Department of Mechatronics&Information，Suzhou Institute of Trade&Commerce，Suzhou 215009）

1007-1423（2015）28-0065-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.28.016

2015-09-11

2015-09-22

在嵌入式領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)常用到按鍵和指示燈，如果數(shù)量較少，可以直接用單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)，編程容易，但需要充足的I/ O；如果使用數(shù)量較多，單片機(jī)的I/O口不夠用，則需要用矩陣掃描驅(qū)動(dòng)，此種方法編程復(fù)雜，需要及時(shí)掃描刷新，占用單片機(jī)資源較多；如果使用數(shù)量很多，上述常規(guī)方法已經(jīng)不能勝任，采用天徽公司生產(chǎn)的TM系列芯片，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)126個(gè)LED指示燈+63個(gè)按鍵的混編顯示控制面板。

多按鍵；多指示燈；TM1638；矩陣掃描

2015年大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（No.201512685002Y）

Buttons and lights are often used in embedded system，if the quantity is less，can be directly driven by microcontroller I/O port，the pro-gramming is relatively easy in this condition，but need more I/O port.If uses more number of buttons and lights and microcontroller I/O port is not enough，we need drive it by the scanning matrix，although it needs complex programming，timely scanning refresh，more system resource occupancy is used in this way.If uses a large number of buttons and lights，those conventional methods can't be competent，uses a chip of TM，designs a 126 lights and 63 keys mixed display panel.