【选型】单片机系统的数码管显示驱动和键盘扫描的三种经典方案优劣势详解

时间： 2022-09-04 来源：沁恒

技术问答

以单片机为核心的很多仪器都需要数码管显示驱动和键盘扫描，三种具体方案如下供参考：

一、经典方案：使用8279芯片

40个引脚的8279芯片是由Intel于80年代首先推出的，参考资料较多，应用比较成熟。

优点：最通用。

缺点：元器件多，面积大，电路复杂，综合成本较高。

●8279的驱动电流较小，所以需要加上驱动电路ULN2003，或者使用8个三级管及相应的基极限流电阻。一般情况下的8279外围电路中，需要16个电阻、一个74LS138芯片、一个ULN2003芯片、8个PNP三极管。元器件较多，占用较大的PCB面积。
●8279需要外部为其提供上电复位信号和时钟信号，所以电路比较复杂。

●8279在显示驱动方面的功能较少。

二、自由方案：使用辅助单片机

也就是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，最近市面上出现的一些产品就是以兼容PIC系列等的单片机实现的。

优点：最灵活。

缺点：元器件多，速度慢，易受干扰，综合成本高。

其特征是：需要额外的时钟电路例如晶体、电容或电阻；需要外接按键扫描的8个下拉电阻；产品说明书中通常没有标明电流驱动能力；引脚定义尤其是CLK/RTCC/RST引脚通常与PIC16C57或PIC16C54相似；单片机程序中有比较多的延时指令和延时程序。

● 由于辅助单片机的驱动电流比较小，按单片机厂商的说明，通常每个引脚不大于20mA，如果长时间驱动大电流则容易损坏。如果将辅助单片机的引脚直接用作字驱动，则20mA平均到数码管的8个段上，每个段的电流只能分配到3mA，所以只能驱动较小的数码管。而如果外接驱动电路，例如595芯片或者8个三极管及相应的基级电阻，则电路面积增大，总体成本增加。

● 为了节约辅助单片机的端口线，一般使用串行输入输出。由于辅助单片机一条指令只能处理一位数据，并且在接收到数据后还需要将其移位转换为字节数据或者直接作为命令进行解释，所以速度非常低。一般要求主控单片机的串行接口的位时钟不能高于200KHz（每个位数据要保持几微秒，才能被辅助单片机检测到并及时处理），所以单片机接口程序需要不断地延时等待。

● 如果辅助单片机采用定时中断方式进行显示驱动和键盘扫描，则在进入中断后有可能来不及响应外部的操作请求，所以辅助单片机一般采用查询方式进行显示驱动和键盘扫描，而采用中断方式接收外部的主控单片机的操作请求。如果主控单片机频繁访问辅助单片机，则因为辅助单片机分身无术，所以显示驱动和键盘扫描就可能无法顾及，出现亮度不均和键盘失灵。

● 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是很难稳定地工作在10MHz以上的。所以在工业现场，辅助单片机很有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。

三、新方案：使用CH45X芯片（CH452芯片、CH451芯片、CH450芯片、CH453芯片）

CH45X芯片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。

优点：外围电路简洁，接口速度快程序效率高，性能稳定，多功能。

● CH451具有大电流驱动能力，段电流不小于25mA，字电流不小于150mA，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。

● CH451是以硬件实现的，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 10MHz，数据传输速度比辅助单片机方案提高了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。

● CH451的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0.75MHz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。

● CH451内置振荡和上电复位以及看门狗，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，进一步降低产品的成本，提供产品的可靠性。

三种方案的综合性能比较（仅供参考）

CH45X芯片的选型参考（包含CH452和CH451以及CH450芯片，合称为CH45X）

1、考虑占用单片机I/O引脚数量（注：4线接口中DCLK、DIN可与其它电路共用）
CH452的真正2线接口，含低电平脉冲按键中断在内，只需要2个I/O引脚，兼容IIC时序CH452/CH450的2线接口，不含按键中断为2个I/O引脚，含按键中断为3个I/O，兼容IIC时序CH452/CH451的4线接口，不含按键中断为3个I/O引脚，含按键中断为4个I/O，类似SPI时序

2、考虑LED或数码管显示亮度（驱动电流越大则亮度越高），考虑数码管极性及尺寸CH451无需外围电路直接驱动LED或共阴数码管时亮度总电流150mACH452/CH450 无需外围电路直接驱动LED或共阴数码管较高，时亮度一般，总电流80mA。CH45X 通过外扩电路驱动多LED串联大尺寸数码管或共阳数码管时亮度最高，总电流可达1000mA
3、考虑单片机接口速度（速度越快则单片机程序效率越高）

CH451的4线接口速度最快，命令无需任何等待，最快10MHz，最慢为静态0Hz

CH452的4线接口速度较快，最快2MHz，最慢为静态0Hz

CH452的2线接口速度一般，内置超时处理，最快200KHz，最慢500Hz

CH450的2线接口速度较快，命令无需任何等待，最快4MHz，最慢为静态0Hz

4、考虑芯片抗干扰能力及受到干扰后的恢复能力

CH452的4线接口抗干扰能力较好

CH451/CH450的抗干扰能力一般，但是受到干扰后通过重发命令就可以立即恢复，永不停机

CH452的2线接口抗干扰能力一般，内置超时处理

5、考虑其它特性，支持更多 LED 或者数码管及按键，考虑硬件成本

CH45X支持多片级联，支持更多数码管和按键，2线接口支持并联，4线接口支持并联或串联

CH451/CH450静态功耗较低，CH452支持睡眠，可由单片机命令唤醒或由按键唤醒并通知单片机

CH451价格低，CH452价格更低（约比CH451低2元），CH452零售价6元，10K批量仅4元5角

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