CN203166878U - 用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的装置；本装置的I/O端口具有输出缓冲器、译码装置、比较装置、开关和多个内置电压；本控制方法使用合理选取的按键扫描电压V_S和按键扫描默认电压V_PD扫描按键，且V_PD的驱动能力小于V_S的驱动能力，从而能够将数码管显示驱动端口复用于按键扫描，且不需要额外的I/O端口和外围元器件，减少了显示驱动芯片内用于数码管显示驱动和按键扫描的I/O端口数量和显示驱动芯片外围的元器件，提高了对显示驱动芯片I/O资源的利用率，降低显示驱动芯片的封装和PCB板成本，提高系统的稳定性，减小PCB板的面积。

Description

用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的装置

技术领域

本实用新型涉及一种按键扫描技术，特别涉及一种用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的装置。

背景技术

数码管按照发光二极管单元的连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（com）的数码管，共阳极数码管在应用时应将公共极接到高电平，当某一字段（seg）发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（com）的数码管，共阴极数码管在应用时应将公共极接到低电平，当某一字段（seg）发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。常见的数码管为8段数码管，每1位该数码管包括“日”字形状的7个字段（a、b、c、d、e、f、g），以及作为“小数点”的1个字段（dp）。

在传统技术方案一中，每位数码管的seg端复用显示驱动芯片的I/O端口，相应的I/O端口称为seg端口；而不同数码管的com端则分别连接到显示驱动芯片上的其他I/O端口，相应的I/O端口称为com端口。显示驱动芯片以时分复用的方式驱动各位数码管，使每位数码管循环地轮流显示。

图1中，数码管LED1和LED2的seg端共用显示驱动芯片的I/O端口S1～S8，而com端则分别连接到S9和S10。I/O端口S1～S8连接到按键阵列的行，S9和S10连接到按键阵列的列。

图2中，V_H表示I/O端口输出的高电压，V_L表示I/O端口输出的低电压，Z表示I/O端口的高阻态。数码管显示和按键扫描分时进行。在数码管显示时隙中，独立的I/O端口控制数码管的com端，驱动各个数码管依次显示。在按键扫描时隙中，I/O端口逐行或逐列地扫描按键阵列。

在传统技术方案一中，显示驱动芯片在每位数码管的显示时隙内仅有一个com端口是有效的，其它的com端口均处于无效或空闲状态，以确保其他数码管不被选通。传统技术方案一在数码管显示时隙内仅通过高电压V_H和低电压V_L来驱动数码管的显示。所以，为了不会造成多个数码管同时显示，com端口必须是独立的I/O端口，com端口的个数等于数码管的个数。因此，驱动1位8段数码管需要1个com端口和8个seg端口，共需要9个I/O端口；驱动2位8段数码管需要2个com端口和8个seg端口，共需要10个I/O端口；驱动M位N段数码管需要M个com端口和N个seg端口，共需要M+N个I/O端口。在多位数码管显示驱动的应用中，这种方案会占用芯片较多的I/O端口。过多的显示驱动端口导致了较高的芯片成本和封装成本。

2003年，Maxim公司的Charlie Allen提出了Charlieplexing技术，利用I/O端口的状态特点和发光二极管的单向导通原理，实现了数码管显示时隙中com端口和seg端口的复用，减少了多位数码管显示驱动所需要的I/O端口个数。

图3中，数码管LED1～LED10的com端分别连接到芯片的I/O端口S1～S10。LED1的8个seg端连接到S1之外的I/O端口，即S2～S9；LED2的8个seg端连接到S2之外的I/O端口，即S1、S3～S9；依次类推，LED10的8个seg端连接到S10之外的I/O端口，即S1～S8。

图4中，在数码管显示时隙内，I/O端口不再独立地区分为com端口和seg端口，而是将com端口和seg端口合并到一起，通过时分复用的方式来区分com端口和seg端口。在连接关系上，一个I/O端口即是某一数码管的seg端口，又是另一数码管的com端口。

然而，这种方法将数码管显示驱动端口通过时分复用的方式用于按键扫描时，需要占用额外的I/O端口或者使用外围元器件，否则按键扫描会影响数码管的显示。在这种技术方案中，I/O端口既作为一个数码管的seg端口，又作为另一个数码管的com端口，任意两个I/O端口都可能连接到一个字段的两端。所以，要在按键扫描时隙内使所有的字段均不亮，则不允许任何两个I/O端口之间存在电压差。按键扫描是通过检测I/O端口的电平变化来实现的，因此在按键扫描时隙内，某些I/O端口之间必然存在着电压差。如果将数码管显示驱动端口复用为按键扫描端口，则在按键扫描时隙中会有字段被点亮，导致数码管显示混乱。综上所述，这种技术方案在不占用额外的I/O端口或者使用外围元器件的条件下，不能够将数码管显示驱动端口复用于按键扫描。在数码管显示驱动和按键扫描的应用场景中，尤其在多位数码管和多个按键的情况下，该方案将会占用较多的I/O端口。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种节省对显示驱动芯片的I/O资源的占用，减少显示驱动芯片的引脚个数，降低显示驱动芯片的封装成本，减少显示驱动芯片外围的元器件，提高系统的稳定性的用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的装置。

实现本实用新型目的的技术方案是：用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的装置，包括显示驱动芯片，所述显示驱动芯片具有多个I/O端口；所述I/O端口具有多个内置电压，包括用于数码管显示驱动的高电压V_H和低电压V_L，用于按键扫描的按键扫描电压V_S和按键扫描默认电压V_PD，以及参考电压V_K；所述按键扫描默认电压V_PD的驱动能力小于按键扫描电压V_S的驱动能力；所述I/O端口具有输出缓冲器、译码装置、比较装置、开关S1、开关S2；所述输出缓冲器具有使能和非使能两个状态。

见图5，所述输出缓冲器的电源端连接高电压V_H和低电压V_L，输出缓冲器的输入端连接信号Disp_out端，输出缓冲器的输出端连接I/O端口；所述译码装置的输入端分别连接数码管显示使能信号EN_Disp端和按键扫描使能信号EN_Key端，译码装置的输出端分别连接输出缓冲器的使能端和开关S1的受控端；所述比较装置具有参考电压V_K，比较装置的输入端连接开关S1和S2的公共端，比较装置的输出端连接信号Key_in端；所述开关S1的选择端根据其控制信号的状态与I/O端口相连接或断开；所述开关S2的受控端连接控制信号Key_out端，开关S2的选择端根据控制信号Key_out端的状态连接按键扫描电压V_S或者按键扫描默认电压V_PD。

所述译码装置控制输出缓冲器的使能状态和开关S1的通断状态，译码装置可由不同的逻辑电路来实现。所述译码装置可以由与门和非门组成；所述与门的输入端分别连接数码管显示使能信号EN_Disp端和非门的输出端，所述与门的输出端连接输出缓冲器的使能端；所述非门的输入端连接按键扫描使能信号EN_Key端和开关S1的受控端。

所述比较装置比较I/O端口输入信号与参考电压V_K的大小，其输出用于判定I/O端口输入信号的逻辑电平。所述比较装置可以是比较器，所述参考电压V_K为比较器的输入端连接的外部参考电压。所述比较装置可以是缓冲器，所述参考电压V_K为缓冲器的内置翻转电压。

所述参考电压V_K、按键扫描电压V_S、按键扫描默认电压V_PD满足不等式V_PD<V_K<V_S或者V_S<V_K<V_PD。

所述按键扫描默认电压V_PD的驱动能力较弱，设置为按键扫描默认电压V_PD的I/O端口连接按键扫描电压V_S时，该I/O端口的电压状态改变。所述按键扫描默认电压V_PD可以由一个电压串联电阻R来提供；所述电阻R的一端连接该电压，另一端连接开关S2的选择端。

用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的控制方法，适用于高电平或者低电平有效的按键扫描；在按键扫描期间，所有I/O端口设置为按键扫描默认电压V_PD，扫描按键时输出按键扫描电压V_S到按键的一端；检测相应按键的另一端的电压；通过比较该电压与参考电压V_K来判断按键是否被按下；所述按键扫描电压V_S和按键扫描默认电压V_PD有异于驱动数码管显示的高电压V_H和低电压V_L，所述按键扫描电压V_S和按键扫描默认电压V_PD之间存在不能够驱动数码管点亮的电压差或者不能够驱动数码管点亮的最大电流I。

上述技术方案所述按键扫描电压V_S和按键扫描默认电压V_PD之间存在不能够驱动数码管点亮的电压差，且该电压差满足以下不等式：

|V_S-V_PD|<数码管的字段的导通电压V_LED。

上述技术方案所述按键扫描电压V_S和按键扫描默认电压V_PD之间存在不能够驱动数码管点亮的最大电流I，且该最大电流I满足以下不等式：

V_S与V_PD之间的最大电流I<数码管的字段的导通电流I_LED。

采用上述技术方案后，本实用新型具有以下积极的效果：

（1）本实用新型能够应用Charlieplexing技术以减少数码管显示驱动端口的个数，并能够将数码管显示驱动端口复用于按键扫描，且不需要额外的I/O端口和外围元器件，大大减少显示驱动芯片内用于数码管显示驱动和按键扫描的I/O端口数量，提高了对显示驱动芯片I/O资源的利用率，降低显示驱动芯片的封装成本，减少显示驱动芯片外围的元器件，提高系统的稳定性，减小PCB板的面积，降低PCB板的成本。

（2）本实用新型在驱动M位N段数码管时仅需要max(M,N+1)个I/O端口，而且这max(M,N+1)个I/O端口都可通过时分复用的方式用于按键扫描。其中，max(M,N+1)的取值是M和N+1中较大的正整数。

（3）本实用新型使数码管显示驱动与按键扫描不再相互影响，特别地，当I/O端口扫描按键时，不会影响数码管的显示效果，使得数码管显示更加稳定。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中

图1为传统技术方案一的结构示意图；

图2为传统技术方案一的工作原理图；

图3为传统技术方案二的结构示意图；

图4为传统技术方案二的工作原理图；

图5为本实用新型的显示驱动芯片的I/O端口的功能结构图；

图6为本实用新型实施例一的显示驱动芯片的I/O端口的电路图；

图7为本实用新型实施例二的显示驱动芯片的I/O端口的电路图；

图8为本实用新型的显示驱动芯片与外围数码管及按键的电路连接关系图；

图9为本实用新型的显示驱动芯片的工作原理图。

具体实施方式

（实施例1）

见图5、图6、图8和图9，本实施例是一个典型的数码管显示和按键扫描应用案例。

在该实施例中，一块显示驱动芯片用10个I/O端口驱动10位共阴极8段数码管的显示，并扫描25个按键（不同的连接方式可以实现更多或更少的按键）。

见图6，用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的装置，包括显示驱动芯片，显示驱动芯片具有多个I/O端口；I/O端口具有输出缓冲器1、译码装置2、比较装置3、开关S1、开关S2和多个内置电压；输出缓冲器具有使能和非使能两个状态；内置电压包括高电压V_H、低电压V_L、参考电压V_K、按键扫描电压V_S、按键扫描默认电压V_PD。所述输出缓冲器1的电源端连接高电压V_H和低电压V_L，输出缓冲器1的输入端连接信号Disp_out端，输出缓冲器1的输出端连接I/O端口；所述译码装置2的输入端分别连接数码管显示使能信号EN_Disp端和按键扫描使能信号EN_Key端，译码装置2的输出端分别连接输出缓冲器1的使能端和开关S1的受控端；所述比较装置3具有参考电压V_K，比较装置3的输入端连接开关S1和S2的公共端，比较装置3的输出端连接信号Key_in端；所述开关S1的选择端根据其控制信号的状态与I/O端口相连接或断开；所述开关S2的受控端连接控制信号Key_out端，开关S2的选择端根据控制信号Key_out端的状态连接按键扫描电压V_S或者按键扫描默认电压V_PD。参考电压V_K、按键扫描电压V_S、按键扫描默认电压V_PD满足不等式V_PD<V_K<V_S或者V_S<V_K<V_PD。

译码装置2可由不同的逻辑电路来实现。在该实施例中，译码装置2由与门2.1和非门2.2组成；与门2.1的输入端分别连接数码管显示使能信号EN_Disp端和非门2.2的输出端，与门2.1的输出端连接输出缓冲器1的使能端；非门2.2的输入端连接按键扫描使能信号EN_Key端和开关S1的受控端。

比较装置3可有多种电路实现形式。在该实施例中，比较装置3为比较器3.1，比较器3.1的正相输入端连接开关S1和S2的公共端，比较器3.1的输出端连接信号Key_in端；参考电压V_K为比较器3.1的负相输入端连接的外部参考电压，参考图6。

按键扫描默认电压V_PD可通过多种方式实现。在该实施例中，按键扫描默认电压V_PD由一个电压串联电阻R来提供；所述电阻R的一端连接该电压，另一端连接开关S2的选择端。

见图6，当该I/O端口用于驱动数码管时，显示驱动芯片置EN_Key为逻辑0，I/O端口内输入通道的开关S1断开。当置EN_Disp为逻辑1时，输出缓冲器1被使能，输出Disp_out信号，Disp_out信号经过输出缓冲器1的缓冲而输出，I/O端口则相应地输出高电压V_H或低电压V_L。当置EN_Disp为逻辑0时，输出缓冲器1被去使能，输出缓冲器1中的驱动管均截止，I/O端口则相应地处于高阻态Z。当该I/O端口用于扫描按键时，显示驱动芯片置EN_Key为逻辑1，I/O端口内输入通道的开关S1闭合，输出缓冲器1被去使能。当Key_out为逻辑1时，开关S2连接到V_S，I/O端口相应地输出V_S。当Key_out为逻辑0时，开关S2连接到电阻R，I/O端口相应地输出V_PD。V_K为输入通道内比较器3.1的输入参考电压，比较器3.1的输出Key_in用于判定输入信号的逻辑电平（逻辑1或逻辑0），此处的比较器3.1也可以用内置翻转电压合适的缓冲器3.2来实现，参考图7。在该实施例中，V_S和V_PD满足不等式V_PD<V_K<V_S和V_K-V_PD<V_S-V_PD<V_LED。

见图8，数码管LED1～LED10的com端分别连接到显示驱动芯片的I/O端口S1～S10，数码管的seg端则连接到其余的I/O端口。即：数码管LED1的com端连接到显示驱动芯片的I/O端口S1，其seg端则连接到I/O端口S2～S9；数码管LED2的com端连接到显示驱动芯片的I/O端口S2，其seg端则连接到I/O端口S1、S3～S9；依次类推，数码管LED10的com端连接到显示驱动芯片的I/O端口S10，其seg端则连接到I/O端口S1～S8。显示驱动芯片的I/O端口S1～S5分别连接到按键阵列的每一列，S6～S10分别连接到按键阵列的每一行。数码管的com端为低电压V_L时，数码管被选通；被选通的数码管的seg端为高电压V_H时，相应的字段被点亮。

按键扫描端口分为按键扫描输入端口和按键扫描输出端口。参见图8，I/O端口S1～S5作为按键扫描输入端口，I/O端口S6～S10作为按键扫描输出端口。在按键扫描期间，所有I/O端口设置为按键扫描默认电压V_PD；扫描按键时，I/O端口S6～S10逐次输出V_S，显示驱动芯片逐行扫描按键阵列。例如，I/O端口S6输出V_S时，显示驱动芯片检测第一行按键SW1～SW5，若按键SW1被按下，I/O端口S1被S6置为V_S，这时检测到I/O端口S1为逻辑1。

显示驱动芯片周期地工作，在每个周期内驱动数码管显示并扫描按键。一个周期分为数码管显示时隙和按键扫描时隙。在数码管显示时隙内，各个数码管依次显示其内容，因此数码管显示时隙又分成多个小的时隙。在按键扫描时隙内，显示驱动芯片逐行扫描按键。

见图9，在该实施例中，数码管显示时隙分成10个小的显示时隙，10个数码管LED1～LED10分别在各自的显示时隙内显示其内容。在显示时隙1期间，显示驱动芯片的I/O端口S1输出低电压V_L，将LED1选通，I/O端口S2～S9根据LED1的显示内容输出高电压V_H或处于高阻态Z，与LED1无关的I/O端口S10保持高阻态Z。在显示时隙2期间，显示驱动芯片的I/O端口S2输出低电压V_L，将数码管LED2选通，I/O端口S1、S3～S9根据LED2的显示内容输出高电压V_H或处于高阻态Z，与数码管LED2无关的I/O端口S10保持高阻态Z。依次类推，在显示时隙10期间，显示驱动芯片的I/O端口S10输出低电压V_L，将数码管LED10选通，I/O端口S1～S8根据数码管LED10的显示内容输出高电压V_H或处于高阻态Z，与数码管LED10无关的I/O端口S9保持高阻态Z。至此，数码管显示时隙完成。

在数码管显示时隙之后，是按键扫描时隙。在该时隙内，按键扫描输出端口S6～S10无效时输出V_PD。当数码管内字段两端的电压均为V_PD时，字段两端的电压差为0，所以这些字段不亮。在该时隙内，按键扫描输出端口S6～S10有效时输出V_S。当按键扫描输出端口S6输出V_S时，显示驱动芯片扫描第一行按键SW1～SW5。假设SW1未被按下，则S6与S1之间的电压差为V_S-V_PD，即数码管LED1的e字段两端的正向电压为V_S-V_PD，由于V_S-V_PD<V_LED，所以该字段在此时并不亮。如此情况的字段还有很多，但由于其正向压降较低，不足以使其导通，所以这些字段均不亮。假设按键SW1被按下，端口S1被S6置为V_S，如前，这也不会导致数码管出现异常显示。按键扫描输出端口S6～S10依次输出V_S，显示驱动芯片检测每一行的按键扫描输入端口S1～S5。显示驱动芯片检测完第五行按键之后，按键扫描时隙结束。总之，在整个按键扫描时隙内，各个I/O端口处的电压仅在V_S和V_PD之间变化，所以按键扫描不会影响数码管的显示。

通过与传统技术方案对比可知，采用本实用新型的控制方法，不再使用高电压V_H和低电压V_L扫描按键，而是选择了合理的按键扫描电压V_S和按键扫描默认电压V_PD。按键扫描电压V_S和按键扫描默认电压V_PD的适当选取，确保了I/O端口复用时数码管显示驱动和按键扫描的独立性，保证了数码管显示和按键扫描的正确性。

在本实用新型的控制方法下，显示驱动芯片能够驱动10位数码管，而且能够扫描25个按键。可见，本实用新型的控制方法，使显示驱动芯片能够驱动较多的数码管并扫描按键。换言之，通过采用本实用新型的控制方法，显示驱动芯片在驱动多位数码管和扫描按键时，需要较少的I/O端口。

本实用新型的控制方法，适用于共阳极或共阴极数码管的显示驱动，适用于高电平或低电平有效的按键扫描。

综上所述，采用本实用新型的控制方法，显示驱动芯片能够在复用数码管的com端和seg端的同时，实现数码管显示驱动端口和按键扫描端口的复用。本实用新型的控制方法，尤其适用于驱动多位数码管显示联合扫描按键的应用场合。本实用新型的控制方法，能够大大节省对显示驱动芯片的I/O资源的占用，减少显示驱动芯片的引脚个数，降低显示驱动芯片的封装成本，减少显示驱动芯片外围的元器件，提高系统的稳定性，减小PCB板的面积，降低PCB板的成本。

（实施例二）

其中，比较装置3也可以是缓冲器3.2，缓冲器3.2的输入端连接开关S1和S2的公共端，输出端连接信号Key_in端；参考电压V_K为缓冲器3.2的内置翻转电压，参考图7。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的装置，包括显示驱动芯片，其特征在于：所述显示驱动芯片具有多个I/O端口；所述I/O端口具有多个内置电压；所述内置电压包括用于数码管显示驱动的高电压V_H和低电压V_L，用于按键扫描的按键扫描电压V_S和按键扫描默认电压V_PD，以及参考电压V_K；所述按键扫描默认电压V_PD的驱动能力小于按键扫描电压V_S的驱动能力；所述I/O端口具有输出缓冲器（1）、译码装置（2）、比较装置（3）、开关S1、开关S2；所述输出缓冲器（1）具有使能和非使能两个状态。

2.根据权利要求1所述的用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的装置，其特征在于：所述输出缓冲器（1）的电源端连接高电压V_H和低电压V_L，输出缓冲器（1）的输入端连接信号Disp_out端，输出缓冲器（1）的输出端连接I/O端口；所述译码装置（2）的输入端分别连接数码管显示使能信号EN_Disp端和按键扫描使能信号EN_Key端，译码装置（2）的输出端分别连接输出缓冲器（1）的使能端和开关S1的受控端；所述比较装置（3）具有参考电压V_K，比较装置（3）的输入端连接开关S1和S2的公共端，比较装置（3）的输出端连接信号Key_in端；所述开关S1的选择端根据其控制信号的状态与I/O端口相连接或断开；所述开关S2的受控端连接控制信号Key_out端，开关S2的选择端根据控制信号Key_out端的状态连接按键扫描电压V_S或者按键扫描默认电压V_PD。

3.根据权利要求1所述的用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的装置，其特征在于：所述译码装置（2）由与门（2.1）和非门（2.2）组成；所述与门（2.1）的输入端分别连接数码管显示使能信号EN_Disp端和非门（2.2）的输出端，与门（2.1）的输出端连接输出缓冲器（1）的使能端；所述非门（2.2）的输入端连接按键扫描使能信号EN_Key端和开关S1的受控端。

4.根据权利要求1所述的用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的装置，其特征在于：所述比较装置（3）为比较器（3.1），所述参考电压V_K为比较器（3.1）的输入端连接的外部参考电压。

5.根据权利要求1所述的用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的装置，其特征在于：所述比较装置（3）为缓冲器（3.2），所述参考电压V_K为缓冲器（3.2）的内置翻转电压。

6.根据权利要求1所述的用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的装置，其特征在于：所述参考电压V_K、按键扫描电压V_S、按键扫描默认电压V_PD满足不等式V_PD<V_K<V_S或者V_S<V_K<V_PD。

7.根据权利要求1所述的用于多位数码管驱动环境下的按键扫描的装置，其特征在于：所述按键扫描默认电压V_PD由一个电压串联电阻R来提供；所述电阻R的一端连接该电压，另一端连接开关S2的选择端。

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