基于ZLG7289A和JR8629的人機接口設計

李紅剛　張素萍

摘 要： 針對目前傳統人機接口設計存在的缺點，提出以STC單片機作為主控芯片，ZLG7289A和JR8629作為顯示和鍵盤控制芯片的人機接口設計方案。同時，給出了該方案詳細的硬件和軟件設計。采用本設計方案的人機接口具有體積小、集成度高、設計簡單、編程方便及實用性強等特點。經實踐驗證，運行效果良好，對儀器儀表、自動測量與控制等其他領域的人機接口設計具有一定的參考價值。

關鍵詞： ZLG7289； JR8629； 人機接口； 高頻電刀

中圖分類號： TN919?34； TP273.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0096?05

Abstract： Aiming at the shortcomings of the traditional human?computer interface， a design scheme of man?machine interface is put forward by using STC single chip microcontroller as the main control chip， ZLG7289A and JR8629 as display and keyboard control chips. At the same time， the hardware and software design of scheme is given in detail. The man?machine interface designed by this method has the characteristics of small size， high integration， simple design， convenient programming， strong practicability， etc. The actual verification result shows that the human?computer interface has good operation effect and a certain reference value for man?machine interface design in other fields such as automatic measurement and control of instruments and apparatuses.

Keywords： ZLG7289A； JR8629； man?machine interface； high?frequency electric knife

人機接口作為現代智能化儀器儀表不可缺少的組成部分，在實際工作中發揮著無可替代的作用[1]。傳統的人機接口（鍵盤、顯示）通常采用8255，8155等并行擴展芯片或者可編程鍵盤、顯示驅動芯片INTEL 8279進行人機接口設計。而且在人機接口設計中，按鍵通常采用機械按鍵進行設計，機械按鍵長時間使用，會出現按鍵反應不靈敏或失效現象。傳統人機接口設計方案存在占用微控制器IO資源較多、硬件電路設計復雜、功耗較高、體積大、不易編程等缺點。鑒于此，提出基于ZLG7289A和JR8629的人機接口設計方案，從而實現一種電路設計簡單、編程方便及低成本的人機接口設計。

1 系統總體設計方案

由圖1可知，系統以STC單片機作為系統人機接口的控制核心，由觸摸按鍵控制芯片JR8269對觸摸按鍵信息進行采集，將采集信息的處理結果傳送給ZLG7289A，由ZLG7289A對系統顯示及按鍵進行統一管理，STC單片機與ZLG7289A之間采用SPI總線進行數據通信。

2 系統所用芯片介紹

2.1 ZLG7289A芯片介紹[2]

ZLG7289A 是廣州周立功單片機發展有限公司自行設計的具有SPI 串行接口功能的可同時驅動8位共陰式數碼管或64只獨立LED的智能顯示驅動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片機即可完成LED 顯示﹑鍵盤接口的全部功能。ZLG7289A 內部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進制碼，并同時具有2種譯碼方式，此外，還具有多種控制指令如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。ZLG7289A 具有片選信號，可方便地實現多于8 位的顯示或多于64 鍵的鍵盤接口。其主要特點如下：

（1） 串行接口，無需外圍元件可直接驅動LED；

（2） 各位獨立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性；

（3） 循環左移/循環右移指令；

（4） 具有段尋址指令，方便控制獨立LED；

（5） 64鍵鍵盤控制器，內含去抖動電路；

（6） 不接數碼管而僅使用鍵盤管理功能時，工作電流可降至3 mA；

（7） 與微控制器之間采用SPI串行總線接口，操作方便，占用I/O資源少。

2.2 JR8629芯片介紹[3]

JR86296是8鍵電容式觸摸按鍵專用檢測傳感器IC。采用最新一代電荷檢測技術，利用操作者的手指與觸摸按鍵焊盤之間產生電荷電平來進行檢測，通過檢測電荷的微小變化來確定手指接近或者觸摸到感應表面。沒有任何機械部件，不會磨損，其感測部分可以放置到任可絕緣（通常為玻璃或塑料材料）的后面，很容易制成與周圍環境相密封的鍵盤。面板圖案設計靈活，按鍵大小、形狀自由選擇，外形美觀，而且不褪色、不變形、經久耐用。從根本上改變了各種金屬面板以及機械面板無法達到的效果。其主要特點如下：

（1） 工作電壓范圍寬：2.0 ～5.5 V。

（2） 低功耗：80 μA。

（3） 三合一功能整合：

直接模式輸出：8個觸摸按鍵輸入，8個并行輸出口；

串行模式輸出：8個觸摸按鍵輸入，以串行方式輸出數據；

矩陣模式輸出：8個觸摸按鍵輸入，以2×4或3×3矩陣方式輸出控制。

（4） 可以通過外部option來選擇高電平或者低電平輸出。

（5） 穩定的人體觸摸檢測引擎CDC，更優化的算法，使系統更穩定更可靠。

3 系統設計

3.1 系統硬件設計

系統硬件設計原理圖如圖2所示。

3.1.1 ZLG7289A與微控制器的連接方式

系統采用基于8051內核的單時鐘/機器周期、高性能、低功耗STC單片機STC12C5A60S2作為系統的控制核心，該微控制器內置FLASHM，SRAM，E2PROM、定時器/計數器、UART、串口2、I/O接口、8通道10位A/D轉 換、SPI，PCA、看門狗以及串口在線編程等模塊，具有體積小、集成度高、易擴展、可靠性高、中斷處理能力強等特點，可稱得上是一個片上系統，能夠方便地完成普通微控制器的功能[4?5]。ZLG7289A與微控制器的接口采用3線制SPI 串行總線，由CS，CLK 和DIO這3 根信號線組成。CS和CLK 是輸入信號，由微控制器提供。DIO信號是雙向的，必須接到微控制器上具有雙向功能的I/O端口上。本系統中ZLG7289A的[CS]，CLK，DATA，[KEY]引腳分別與STC12C5A60S2的P2.7，P2.6，P2.5，P3.2相連接。

3.1.2 ZLG7289A與LED示燈及數碼管的連接方式

ZLG7289A的SA?SG，DP分別與6位LED數碼管的段碼a?g，dp直接進行連接， DIG0 ?DIG5分別與6位LED數碼管的位選信號COM直接進行連接。在實際應用中，ZLG7289A 應連接共陰式數碼管，無需用到的數碼管和鍵盤可以不連接，省去數碼管和對數碼管設置消隱屬性均不會影響鍵盤的使用。系統原理圖中的R11～R18 是限流電阻，典型值是270 Ω。如果要增大數碼管的亮度，可以適當減小電阻值，最低200 Ω。

3.1.3 ZLG7289A與外部晶振的連接方式

ZLG7289A需要一外接晶體振蕩電路供系統工作，其典型值分別為F=16 MHz，C=15 pF，本系統設計值為F=8 MHz，C=15 pF，如果芯片無法正常工作，請首先檢查此振蕩電路。在印刷電路板布線時所有元件，尤其是振蕩電路的元件，應盡量靠近ZLG7289A，并盡量使電路聯線最短。

3.1.4 ZLG7289A與觸摸按鍵控制芯片JR8629連接方式

3.1.5 ZLG7289A的復位端設計要求

ZLG7289A的RST復位端在一般應用情況下，可以直接和VCC相連，在需要較高可靠性的情況下，可以連接一外部復位電路或直接由微處理器控制。因為芯片可直接驅動LED數碼管顯示，電流較大，且為動態掃描方式，為盡量消除電源噪聲干擾， 提高電路抗干擾能力，應用時可在電源的正負極并入一個10 μF 的電容。

3.2 系統軟件設計

3.2.1 SPI串行接口介紹[2，6]

ZLG7289A采用串行方式與微控制器通信， 串行數據從DATA引腳送入芯片， 并由CLK 端同步。當片選信號變為低電平后， DATA引腳上的數據在CLK 引腳的上升沿被寫入ZLG7289A的緩沖寄存器。

ZLG7289A 的指令結構有3種類型：

（1） 不帶數據的純指令，指令的寬度為8個bit， 即微處理器需發送8個CLK脈沖。

（2） 帶有數據的指令，寬度為16個bit，即微處理器需發送16個CLK 脈沖。

（3） 讀取鍵盤數據，指令寬度為16個bit，前8個為微處理器發送到ZLG7289A的指令，后8個bit為ZLG7289A返回的鍵盤代碼，執行此指令時，ZLG7289A的DATA端在第9個CLK脈沖的上升沿變為輸出狀態，并與第16個脈沖的下降沿恢復為輸入狀態，等待接收下一個指令。

具體指令及說明在參考文獻[1] 中有詳細介紹。3種控制指令的串行接口時序如圖3～圖5所示。

4 系統ZLG7289A和JR8629使用注意事項

（1） 由于在實際工作中高頻信號對觸摸按鍵的影響較大，所以在使用過程中常會出現按鍵失效現象。為此，觸摸按鍵控制芯片JR8629的VCC可由STC單片機的一個I/O端口進行控制，本系統選用STC單片機的P5.1進行控制，在完成一次高頻能量輸出之后，先關閉JR8629的VCC， 然后延時100 ms，再開啟JR8629的VCC，這樣可有效避免觸摸按鍵失靈現象。

（2） ZLG7289要跟著控制面板走。在實際應用中，儀器儀表的控制面板和主機板往往是分離的，它們之間有幾十厘米的距離，要用長長的排線相連。鍵盤和數碼管一般都位于控制面板上，主控制器則在主機板上。在設計時注意：ZLG7289一定要跟著控制面板走，而不要放在主機板上。這樣可以有效避免ZLG7289A放在主機板上，走線過長，引起的顯示混亂、按鍵失靈等故障現象。

（3） 復位引腳可以由主控制器直接控制。在實際工作應用中，為了增強抗干擾能力，建議采用獨立的穩定直流電源給ZLG728A供電，VCC與GND之間的電容也要相應加大。另外復位引腳最好由主控制器來控制，每隔幾分鐘強制復位一次，復位脈沖寬度可以在100 ms左右。定時強制復位可以有效防止偶爾由于電磁干擾而產生的顯示不正常和按鍵失效的現象。

（4） 驅動1英寸以上的大數碼管時，要另外加驅動電路。ZLG7289的驅動能力畢竟是有限的，如果直接驅動1英寸以上的大數碼管則可能會出現亮度不夠的現象。這時可以適當減小限流電阻（最低200 Ω）以增加亮度。如果亮度仍然不夠，就必須另外添加驅動芯片。

（5） 降低晶振頻率。在ZLG7289數據手冊里的典型應用電路圖中，晶振16 MHz。但在電磁環境惡劣的現場，應該降低晶振頻率，這里推薦值為1～8 MHz。晶振頻率降低后，SPI總線的通信速率也要適當降低。

（6） 在上電或接收到復位信號后。ZLG7289A大約需要經過25 ms的時間才會進入正常工作狀態。所以給ZLG7289A傳送完復位命令后要延時至少25 ms[7]。

（7） 在發送命令和讀取鍵值的指令中對各控制信號間的時序要求很高，若控制信號間所要求時間不相符合，則無法傳送數據和命令，就不能響應按鍵，也無法讀出鍵值[7]。

5 結 論

本文采用STC單片機作為主控芯片， 以ZLG7289A和JR8629作為顯示和鍵盤控制芯片，設計了一種人機接口，并應用于實際中，實現了系統相關參數設置和顯示。該系統運行穩定、可靠，具有體積小、集成度高、可靠性高、實用性強等特點，對其他儀器儀表人機接口設計具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 李小燕.基于ARM單片機的人機交互接口的設計[J].儀器儀表用戶，2007，14（5）：73?75.

[2] 廣州周立功單片機發展有限公司.ZLG7289A串行接口LED 數碼管及鍵盤管理器件[EB/OL].[2013?07?11].http：//www.zlgmcu.com/philips/hotic/zlg7289/zlg7289a.pdf.

[3] 深圳市勁銳科技有限公司.8鍵電容式觸摸按鍵IC?JR8629[EB/OL].[2013?05?03].http：//www.docin.com/p?342038623.html.

[4] 劉曉東，施艷艷，李淑波.基于SPI接口的凌陽單片機鍵盤設計[J].電測與儀表，2007，44（494）：46?49.

[5] 鹿璇，宋曉，杜沖.基于單片機FPGA的人機交互系統的設計[J].電子設計工程，2010，18（9）：155?157.

[6] 蘇變玲，朱志平，袁衛.I2C接口ZLG7289在數控信號源中的應用[J].現代電子技術，2008，31（23）：124?126.

[7] 楊恢先，楊穗，王子菡，等.顯示鍵盤智能控制芯片ZLG7289A在數控切割系統中的應用[J].電子器件，2004，27（2）：245?249.

（5） 降低晶振頻率。在ZLG7289數據手冊里的典型應用電路圖中，晶振16 MHz。但在電磁環境惡劣的現場，應該降低晶振頻率，這里推薦值為1～8 MHz。晶振頻率降低后，SPI總線的通信速率也要適當降低。

（6） 在上電或接收到復位信號后。ZLG7289A大約需要經過25 ms的時間才會進入正常工作狀態。所以給ZLG7289A傳送完復位命令后要延時至少25 ms[7]。

（7） 在發送命令和讀取鍵值的指令中對各控制信號間的時序要求很高，若控制信號間所要求時間不相符合，則無法傳送數據和命令，就不能響應按鍵，也無法讀出鍵值[7]。

5 結 論

本文采用STC單片機作為主控芯片， 以ZLG7289A和JR8629作為顯示和鍵盤控制芯片，設計了一種人機接口，并應用于實際中，實現了系統相關參數設置和顯示。該系統運行穩定、可靠，具有體積小、集成度高、可靠性高、實用性強等特點，對其他儀器儀表人機接口設計具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 李小燕.基于ARM單片機的人機交互接口的設計[J].儀器儀表用戶，2007，14（5）：73?75.

[2] 廣州周立功單片機發展有限公司.ZLG7289A串行接口LED 數碼管及鍵盤管理器件[EB/OL].[2013?07?11].http：//www.zlgmcu.com/philips/hotic/zlg7289/zlg7289a.pdf.

[3] 深圳市勁銳科技有限公司.8鍵電容式觸摸按鍵IC?JR8629[EB/OL].[2013?05?03].http：//www.docin.com/p?342038623.html.

[4] 劉曉東，施艷艷，李淑波.基于SPI接口的凌陽單片機鍵盤設計[J].電測與儀表，2007，44（494）：46?49.

[5] 鹿璇，宋曉，杜沖.基于單片機FPGA的人機交互系統的設計[J].電子設計工程，2010，18（9）：155?157.

[6] 蘇變玲，朱志平，袁衛.I2C接口ZLG7289在數控信號源中的應用[J].現代電子技術，2008，31（23）：124?126.

[7] 楊恢先，楊穗，王子菡，等.顯示鍵盤智能控制芯片ZLG7289A在數控切割系統中的應用[J].電子器件，2004，27（2）：245?249.

（5） 降低晶振頻率。在ZLG7289數據手冊里的典型應用電路圖中，晶振16 MHz。但在電磁環境惡劣的現場，應該降低晶振頻率，這里推薦值為1～8 MHz。晶振頻率降低后，SPI總線的通信速率也要適當降低。

（6） 在上電或接收到復位信號后。ZLG7289A大約需要經過25 ms的時間才會進入正常工作狀態。所以給ZLG7289A傳送完復位命令后要延時至少25 ms[7]。

（7） 在發送命令和讀取鍵值的指令中對各控制信號間的時序要求很高，若控制信號間所要求時間不相符合，則無法傳送數據和命令，就不能響應按鍵，也無法讀出鍵值[7]。

5 結 論

本文采用STC單片機作為主控芯片， 以ZLG7289A和JR8629作為顯示和鍵盤控制芯片，設計了一種人機接口，并應用于實際中，實現了系統相關參數設置和顯示。該系統運行穩定、可靠，具有體積小、集成度高、可靠性高、實用性強等特點，對其他儀器儀表人機接口設計具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 李小燕.基于ARM單片機的人機交互接口的設計[J].儀器儀表用戶，2007，14（5）：73?75.

[2] 廣州周立功單片機發展有限公司.ZLG7289A串行接口LED 數碼管及鍵盤管理器件[EB/OL].[2013?07?11].http：//www.zlgmcu.com/philips/hotic/zlg7289/zlg7289a.pdf.

[3] 深圳市勁銳科技有限公司.8鍵電容式觸摸按鍵IC?JR8629[EB/OL].[2013?05?03].http：//www.docin.com/p?342038623.html.

[4] 劉曉東，施艷艷，李淑波.基于SPI接口的凌陽單片機鍵盤設計[J].電測與儀表，2007，44（494）：46?49.

[5] 鹿璇，宋曉，杜沖.基于單片機FPGA的人機交互系統的設計[J].電子設計工程，2010，18（9）：155?157.

[6] 蘇變玲，朱志平，袁衛.I2C接口ZLG7289在數控信號源中的應用[J].現代電子技術，2008，31（23）：124?126.

[7] 楊恢先，楊穗，王子菡，等.顯示鍵盤智能控制芯片ZLG7289A在數控切割系統中的應用[J].電子器件，2004，27（2）：245?249.