I2C总线在指纹识别系统键盘显示中的应用
2009-09-24
作者：罗焕发，李见为，杨先周
摘 要：针对大多数嵌入式系统键盘显示电路复杂、不灵活、维护困难等问题，结合指纹识别系统在汽车安全领域的应用，介绍了基于I2C总线的数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片CH452S以及扩展口器件PCF8574AP在指纹识别系统键盘显示接口中的应用，包括硬件电路连接和软件程序设计。采用I2C总线，不仅占用端口资源少，电路结构简单，而且易于电路扩展与系统升级。
关键词: I2C总线; 单片机; PCF8574AP; LCD; CH452S
本文介绍的指纹识别系统采用单片机与DSP协同工作，实现用户服务。为此，必须提供一个与用户进行对话的接口，即键盘显示人机接口。指纹识别系统框图如图1所示。嵌入式系统开发过程中，键盘显示一般采用微控制器直接与专用集成电路连接，如HD7279A、KS0108等，其所需引脚多、空间大，不利于产品小型化，而且成本高。由于本系统被控对象较多，包括DSP的HPI口、键盘显示、GSM短信报警以及汽车控制接口，端口供需矛盾尤其突出。I2C总线是近年来嵌入式系统开发所广泛采用的总线标准，仅需2根线即可简单、方便、有效地实现I/O口扩展。本文主要介绍利用单片机普通I/O口模拟I2C总线操作，控制CH452S实现按键操作的捕获，并控制PCF8574AP扩展的并行口生成LCD 读写控制所需时序，完成指纹识别系统信息显示。
1 I2C总线简述
Inter-Integrated Circuit Bus简称I2C总线，是由Philips公司开发的两线串行总线，长度可达25英尺。I2C总线实现系统功能简单有效，占用空间小，所需芯片管脚数量少，只须使用2根线即可方便构成多机系统与扩展系统，便于系统维护与升级。这2根线一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL，2条线都必须通过一个上拉电阻连接到正的电源电压，其数据只有在总线空闲时才可传送[1]。SDA线上的数据必须在时钟线SCL高电平期间保持稳定，否则将被视为起始条件或停止条件。当SCL为高电平时，SDA由高电平切换为低电平，则为起始条件；当SCL为高电平时，SDA由低电平切换为高电平，则为停止条件，如图2所示，其中S为起始条件，P为停止条件。
I2C总线上可以同时有多个I2C器件，每个器件都有唯一的地址识别，而且每个器件可作为主机，也可作为从机，可以是发送器，也可以是接收器，这主要取决于器件所要完成的功能。数据传送格式是以主机发送启动信号开始，接着发送第一个字节，此字节的高7位为从设备地址，最低位为读写控制位。该位为0表示主机向从机发送数据，为1表示主机从从机读取数据。总线每次传送的字节数没有限制，但是各字节之间必须插入一个应答位，数据字节从最高位开始发送，全部数据发送完后，就发送停止信号完成一次数据传送。其中，应答位是在发送每个字节之后主机发出第9个时钟脉冲的高电平期间，发送器释放SDA线(高)，接收器拉低SDA线。如果传输中存在主机-接收器，则在最后一个字节不产生响应，通知从机-发送器数据传输结束，其传输格式如图3所示。
2 硬件电路设计
在指纹识别系统中，单片机负责管理系统级事务，监控键盘的按键操作和LCD的显示。键盘用于完成用户操作指令的输入，使得用户可以借助键盘输入指令实现指纹识别系统的操作，而LCD用于显示系统操作菜单以及系统反馈的提示信息和处理结果。
单片机采用Philips的P89C58，该款单片机基于80C51内核，具有32 KB非易失性只读程序存储器、256B内部数据存储器RAM、32个双向I/O口、3个16位定时/计数器、6个中断源[2]。
键盘控制采用南京沁恒电子公司的CH452S，CH452S是数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片，内置时钟振荡电路，可以驱动8位数码管并进行64键键盘扫描[3]，具有4线接口和2线接口，其中2线接口支持I2C总线。
显示采用小尺寸的LCD，带有仅写入的SPI接口，由扩展口芯片PCF8574AP的并行口控制。PCF8574AP是Philips公司推出的一款带有I2C总线硬件接口的扩展口芯片，具有8位I/O口，且每一位都可独立作为输入输出线。I/O口带输出锁存，具有大电流驱动，可直接驱动LED[4]。
由于该单片机P89C58不带I2C硬件接口，因此，利用单片机的2个I/O口模拟I2C总线，总线的数据线接单片机的外部中断1端口P3.3，时钟线接单片机的P3.4端口，电路连接如图4所示。
在应用中，CH452S采用标准2线接口，串行数据时钟输入线SCL和串行数据输入、输出线SDA，按键中断输出方式为低电平脉冲。在扫描键盘期间，DIG7~DIG0引脚用于列扫描输出，SEG7～SEG0引脚都带有内部下拉电阻，用于行扫描输入。键盘扫描是由CH452S自动完成的，当检测到有效按键时，会以中断的方式通知单片机进行处理。根据本系统需要，设计了4×4的键盘矩阵。用户通过操作键盘对系统进行控制和使用，键盘按扭的功能定义如下：(1)数字键：输入数字0～9；(2)确定键：确认当前操作；(3)取消键：取消当前操作；(4)注册键：进入用户指纹注册界面；(5)登录键：进入用户指纹登录界面；(6)删除键：进入用户指纹删除界面；(7)模式键：进入模式功能选择界面。由于CH452S不支持组合键，如果有多个键同时按下，那么按键代码小的为有效按键。
单片机对LCD显示的控制是通过I2C总线读写PCF8574AP扩展口，生成LCD读写时序实现的，数据传输格式如图3所示。对于PCF8574AP器件来说，从机地址为0x70。由于LCD仅采用写入的SPI接口方式，所以无须用到对PCF8574AP读操作，但在实际应用中，PCF8574AP作为输入时应置口锁存器为高电平，即在读PCF8574AP前需要将PCF8574AP扩展口全部置为1状态。
3 软件程序设计
指纹识别系统的主控程序是由单片机来完成的，监控键盘和LCD显示是其中的一部分。由于单片机不带硬件I2C接口，所以I2C协议通过模拟实现，此协议比较简单，主要包括启动总线、结束总线、发送数据、读取数据、获取响应、发送响应。键盘控制芯片CH452S定义了空操作、复位、设定系统参数、读取按键代码、进入睡眠状态等23条操作命令，单片机通过I/O口模拟I2C总线发送操作命令。LCD采用SPI接口，包括复位、片选、数据/命令、串行数据、时钟5条线，分别由PCF8574AP扩展的5个I/O口控制，改变状态只须往PCF8574AP写相应的数据即可。系统共设有16个按键，当CH452检测到有效按键时，将等到SCL和SDA空闲后从SDA输出几个微秒宽度的低电平脉冲作为键盘的中断信号。单片机响应键盘中断请求后，向CH452S发送读取按键代码命令，CH452S将从SDA线输出按键代码。为了提高系统运行效率、减少中断处理时间，中断服务程序只设置键盘的中断标志(此中断标志为自设变量)，将读取按键代码子程序放在中断外主控程序执行，程序流程图如图5所示。
系统在上电后，主控程序首先对系统进行初始化，包括单片机初始化、CH452S初始化、LCD显示初始化、I2C总线初始化等，然后进入死循环。在循环中，程序等待中断。当有中断发生后，在中断服务程序置位相应的中断标志位，然后退出中断等待，进入中断查询，看是哪种类型的中断。如果是键盘中断，则单片机通过I2C总线向CH452S发送读取按键代码命令；如果是其他中断，则处理其他信息。最后进行按键处理和更新LCD显示，供用户进一步操作。随后又回到等待中断循环中，如此不停地循环反复。
本文介绍了采用I2C总线实现对指纹识别系统键盘及LCD显示的控制，经过实践证明，此方案构建的键盘显示人机接口可实现正常的按键捕获和信息显示，是一种简单实用、稳定可靠的设计方案。该方案节约了单片机端口引脚资源，降低了系统复杂度，软硬件实现容易，成本低廉，而且易于系统功能扩展。本文介绍的方法，只须经过简单适当修改，即可应用于其他嵌入式系统场合，很值得推广使用。
参考文献
[1] I2C总线规范[EB/OL]. http://www.zlgmcu.com/philips/iic/xuanxing/.2008.
[2] P89C58手册[EB/OL]. http://www.zlgmcu.com/philips/80c51/shouce/p89c5x/.2008.
[3] 数码管驱动及键盘控制芯片CH452中文手册[EB/OL]. http://wch.cn/.2008.
[4] PCF8574AP手册[EB/OL]. http://www.zlgmcu.com/philips/iic/ePDF/.2008.