LM8323：一款功能強(qiáng)大的移動(dòng)I/O伴侶芯片解析

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，一款合適的I/O伴侶芯片能極大地提升設(shè)備的性能和功能。今天我們就來(lái)深入了解一下德州儀器（TI）的LM8323，這是一款專門為減輕主機(jī)掃描矩陣鍵盤負(fù)擔(dān)而設(shè)計(jì)的芯片，同時(shí)還具備通用I/O擴(kuò)展、旋轉(zhuǎn)編碼器接口和PWM輸出等實(shí)用功能。

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一、LM8323的特性亮點(diǎn)

1. 按鍵掃描能力

LM8323支持最大8×12的鍵盤矩陣，再加上8個(gè)特殊功能（SF）鍵，總共能處理104個(gè)按鍵。SF鍵直接將鍵盤掃描輸入拉到地，而不是連接到鍵盤掃描輸出，這種設(shè)計(jì)使得按鍵處理更加靈活。而且，它還能將按鍵掃描事件存儲(chǔ)在FIFO緩沖區(qū)中，最多可存儲(chǔ)15個(gè)事件，方便主機(jī)后續(xù)處理。

2. 通信接口

芯片采用了與I2C兼容的ACCESS.bus接口，在從模式下支持高達(dá)400 kHz的通信速率（快速模式），能與主機(jī)進(jìn)行高效穩(wěn)定的通信。同時(shí)，它還具備硬件IRQ中斷輸出，可向主機(jī)發(fā)送鍵盤、旋轉(zhuǎn)編碼器、錯(cuò)誤和狀態(tài)等事件信號(hào)，讓主機(jī)及時(shí)響應(yīng)。

3. PWM輸出

提供三個(gè)主機(jī)可編程的PWM輸出，可用于平滑的LED亮度調(diào)制。這對(duì)于一些需要燈光控制的設(shè)備來(lái)說非常實(shí)用，比如智能手持設(shè)備的背光燈調(diào)節(jié)。

4. 通用I/O擴(kuò)展

在未用于鍵盤或旋轉(zhuǎn)編碼器接口的引腳上，支持通用I/O擴(kuò)展，增加了芯片的使用靈活性，能滿足不同設(shè)備的多樣化需求。

5. 低功耗模式

具備休眠模式，當(dāng)檢測(cè)到一段時(shí)間內(nèi)沒有按鍵按下、釋放事件、旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)數(shù)器值變化或ACCESS.bus活動(dòng)時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，以降低功耗。而且，在任何矩陣按鍵掃描事件、SF鍵使用、ACCESS.bus接口活動(dòng)或旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)數(shù)器值變化（如果啟用）時(shí)，芯片都能從休眠模式中喚醒。

二、引腳分配與信號(hào)描述

LM8323采用36引腳的csBGA封裝，每個(gè)引腳都有其特定的功能。例如，KP-Xx引腳為鍵盤掃描輸入，同時(shí)也是喚醒輸入；KP-Yx引腳為鍵盤掃描輸出；GPIO引腳則可用于通用I/O擴(kuò)展。此外，還有一些特殊功能引腳，如ACB_SDA和ACB_SCL用于ACCESS.bus通信，PWM0 - PWM2用于PWM輸出等。

在使用未使用的信號(hào)引腳時(shí)，需要注意正確的端接方式。比如，RESET引腳若不連接外部監(jiān)控電路，應(yīng)連接到VCC；CONFIG_1和PWM_2/CONFIG2引腳需通過上拉或下拉電阻連接到VCC或GND，以選擇從地址；XTAL_IN引腳若未使用，必須連接到VCC或GND等。

三、時(shí)鐘與復(fù)位

1. 時(shí)鐘系統(tǒng)

LM8323有多種時(shí)鐘源，包括約21 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘（mclk），用于驅(qū)動(dòng)I2C兼容的串行ACCESS總線和其他功能模塊；2MHz的處理和命令執(zhí)行時(shí)鐘（tC），由系統(tǒng)時(shí)鐘派生而來(lái)；內(nèi)部PWM時(shí)鐘是處理和命令執(zhí)行時(shí)鐘的固定分頻（÷ 64），接近32 kHz，也可使用外部32.768 kHz時(shí)鐘或晶體作為PWM的時(shí)基。

通過WRITE_CLOCK命令可以配置時(shí)鐘，該命令在系統(tǒng)初始化時(shí)只需執(zhí)行一次，用于覆蓋默認(rèn)設(shè)置。

2. 復(fù)位操作

芯片可以通過外部復(fù)位、RESET命令或內(nèi)部產(chǎn)生的上電復(fù)位（POR）信號(hào)進(jìn)行復(fù)位。外部RESET輸入必須保持低電平至少700 ns以確保有效復(fù)位；POR電路在VCC上升到POR閾值電壓（約1.2 - 1.5V）時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，VCC上升時(shí)間必須大于20 μs且小于10 ms。

復(fù)位后，芯片的引腳和內(nèi)部配置會(huì)有相應(yīng)的默認(rèn)狀態(tài)。例如，部分引腳處于高阻抗模式，PWM時(shí)鐘源為片上時(shí)鐘除以64，鍵盤大小默認(rèn)為3×3等。

四、應(yīng)用示例與配置

1. 典型應(yīng)用

在典型應(yīng)用中，LM8323可以支持8×9的標(biāo)準(zhǔn)按鍵和8個(gè)具有喚醒功能的SF鍵。通過ACCESS.bus接口與主機(jī)通信，使用硬件IRQ中斷向主機(jī)發(fā)送事件信號(hào)。同時(shí)，還可以通過PWM輸出驅(qū)動(dòng)兩個(gè)LED，并實(shí)現(xiàn)可編程的上升和下降斜坡，PWM_2還可用于控制第三個(gè)外部LED。旋轉(zhuǎn)編碼器接口與KP-Y9、KP-Y10和KP-Y11引腳共用，不過在較大的鍵盤配置中可能無(wú)法使用。

2. 初始化配置

芯片初始化時(shí)，需要主機(jī)發(fā)送一系列命令進(jìn)行配置，如WRITE_CFG、SET_KEY_SIZE、WRITE_CLK等。以一個(gè)具體的初始化示例來(lái)說，可將鍵盤矩陣配置為8×4，啟用旋轉(zhuǎn)編碼器接口，設(shè)置GPIO引腳的輸入輸出狀態(tài)和上拉下拉電阻等。通過執(zhí)行READ_CONF、READ_PORT_SEL等命令可以驗(yàn)證這些設(shè)置。

五、按鍵掃描與處理

1. 按鍵事件編碼

LM8323對(duì)按鍵事件進(jìn)行了編碼，每個(gè)矩陣位置都有對(duì)應(yīng)的代碼。按鍵按下事件的編碼與釋放事件的編碼通過最高位（MSB）區(qū)分，按下時(shí)MSB置1，釋放時(shí)MSB清零。這些編碼會(huì)按發(fā)生順序加載到FIFO緩沖區(qū)中。

2. 掃描周期

芯片以約4毫秒的固定時(shí)間間隔開始新的掃描周期。當(dāng)檢測(cè)到鍵盤狀態(tài)變化時(shí)，會(huì)在消抖延遲后重新掃描鍵盤，確認(rèn)狀態(tài)變化后將其編碼并寫入FIFO緩沖區(qū)。在掃描周期內(nèi)，只有一個(gè)KP-Yx輸出引腳會(huì)被拉低，其他引腳為高電平或未驅(qū)動(dòng)。

3. 多按鍵處理

當(dāng)同時(shí)按下多個(gè)按鍵時(shí)，芯片會(huì)將所有按鍵按下和釋放事件按解碼順序存儲(chǔ)在FIFO緩沖區(qū)中。但如果同時(shí)按下的按鍵位于同一輸入行，可能會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)不準(zhǔn)確的情況，此時(shí)主機(jī)需要采取一些措施，如發(fā)送SET_ACTIVE命令來(lái)防止芯片進(jìn)入休眠模式。

六、PWM輸出與腳本命令

1. PWM輸出架構(gòu)

芯片提供三個(gè)PWM輸出，具備先進(jìn)的占空比上升和下降斜坡功能，以及執(zhí)行簡(jiǎn)單到復(fù)雜命令序列的能力。每個(gè)PWM通道都有獨(dú)立的腳本執(zhí)行引擎，主機(jī)可以通過PWM_WRITE、PWM_START和PWM_STOP三個(gè)命令與腳本執(zhí)行引擎進(jìn)行交互。

2. 腳本命令

PWM腳本命令有固定的16位格式，與主機(jī)命令的可變長(zhǎng)度字節(jié)格式不同。常見的腳本命令包括RAMP、SET_PWM、GO_TO_START、BRANCH、END和TRIGGER等。例如，RAMP命令可用于生成占空比斜坡，SET_PWM命令可用于設(shè)置占空比，END命令用于終止腳本執(zhí)行并向主機(jī)發(fā)送中斷信號(hào)。

3. 腳本示例

文檔中給出了多個(gè)PWM腳本示例，展示了如何使用這些腳本命令實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的占空比變化和同步操作。通過合理編寫腳本，可以實(shí)現(xiàn)各種燈光效果，如閃爍、漸變等。

七、主機(jī)接口與命令

1. ACCESS.bus接口

LM8323通過兩線的ACCESS.bus接口與主機(jī)通信，該接口與I2C總線標(biāo)準(zhǔn)兼容，芯片在400 kHz（快速模式）下作為總線從機(jī)工作。所有通信都由主機(jī)發(fā)起，通常是響應(yīng)芯片發(fā)出的中斷請(qǐng)求（IRQ低電平）。

2. 主機(jī)命令

主機(jī)可以通過一系列命令對(duì)芯片進(jìn)行配置和控制，如READ_ID、WRITE_CFG、READ_INT等。這些命令涵蓋了讀取芯片信息、配置硬件、設(shè)置時(shí)鐘、讀取和寫入GPIO引腳狀態(tài)等功能。在使用這些命令時(shí)，需要注意命令的格式和參數(shù)設(shè)置，以確保正確操作芯片。

八、電氣特性與封裝信息

1. 電氣特性

芯片的工作電壓范圍為1.62V - 1.98V，在不同工作模式下有相應(yīng)的電流消耗。例如，在內(nèi)部時(shí)鐘工作且引腳無(wú)負(fù)載時(shí)，典型的電源電流為1.9 mA；在待機(jī)模式下，典型電流小于9 μA。同時(shí)，芯片還規(guī)定了輸入輸出電壓、輸入泄漏電流、端口輸入滯后等電氣參數(shù)。

2. 封裝信息

LM8323提供了csBGA（NYB）封裝，有不同的訂購(gòu)型號(hào)可供選擇，如LM8323JGR8AXM/NOPB等。這些型號(hào)在包裝數(shù)量、包裝類型、RoHS合規(guī)性、引腳鍍層/球材料、MSL評(píng)級(jí)和工作溫度范圍等方面基本相同，但在包裝數(shù)量和包裝尺寸上可能有所差異。

總結(jié)

LM8323是一款功能豐富、性能穩(wěn)定的移動(dòng)I/O伴侶芯片，適用于無(wú)繩電話、智能手持設(shè)備等多種應(yīng)用場(chǎng)景。它在按鍵掃描、通信接口、PWM輸出、低功耗設(shè)計(jì)等方面都有出色的表現(xiàn)。作為電子工程師，在設(shè)計(jì)相關(guān)設(shè)備時(shí)，可以充分利用LM8323的這些特性，提高設(shè)備的性能和用戶體驗(yàn)。但在使用過程中，也需要仔細(xì)研究芯片的引腳分配、時(shí)鐘與復(fù)位、命令配置等方面的細(xì)節(jié)，確保芯片能正常工作。你在實(shí)際項(xiàng)目中有沒有使用過類似的芯片呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。