深入了解TCA8424：低電壓8x16鍵盤掃描器的技術剖析

在當今的電子設備中，鍵盤輸入是不可或缺的一部分。而TCA8424作為一款低電壓8x16鍵盤掃描器，憑借其獨特的特性和功能，在眾多設備中得到了廣泛應用。今天，我們就來深入剖析一下TCA8424這款產(chǎn)品。

文件下載：TCA8424RHAR.pdf

一、TCA8424概述

TCA8424是一款專門針對運行Windows 8操作系統(tǒng)的終端設備設計的128鍵掃描設備。它完全符合Microsoft定義的HID over I2C規(guī)范（ver 1.0），其HID和報告描述符被硬編碼到設備中，無需在生產(chǎn)時進行編程。此外，該設備還帶有預編程的鍵盤映射，與大多數(shù)標準筆記本電腦鍵盤兼容，不過也可在生產(chǎn)時寫入任何鍵盤映射。

二、產(chǎn)品特性亮點

（一）電源與接口特性

• 寬電壓范圍：工作電源電壓范圍為1.65V至3.6V，能適應多種不同的電源環(huán)境。
• 高速I2C通信：支持高達1MHz的FM+ I2C操作，數(shù)據(jù)傳輸速度快。
• 內(nèi)部復位功能：具備內(nèi)部上電復位功能，確保設備在啟動時能正常初始化。

（二）輸出與濾波特性

• 開漏輸出：開漏輸出可吸收高達12mA的LED電流，方便驅(qū)動LED指示燈。
• 噪聲濾波：SCL/SDA和輸入上具有噪聲濾波器，能有效減少外界干擾。

（三）HID相關特性

• 硬件編碼描述符：硬件編碼的HID和報告描述符，減少編程工作量。
• 預編程鍵盤映射：帶有預編程的鍵盤映射，也可自定義編程。
• 軟件復位：支持根據(jù)HID Over I2C標準進行軟件復位。
• 支持多種命令：支持RESET、GET REPORT、SET REPORT、SET POWER等HID Over I2C命令。

（四）其他特性

• 多鍵檢測：固定長度8字節(jié)的輸入報告可檢測多達6個同時按下的按鍵（不包括修飾鍵）。
• 高抗干擾能力：閂鎖性能超過每JESD 78、II類100 mA，ESD保護超過JESD 22。

三、引腳功能詳解

四、I2C接口通信

（一）I2C總線基礎

雙向I2C總線由串行時鐘（SCL）和串行數(shù)據(jù)（SDA）線組成，兩條線都必須通過上拉電阻連接到VCC。只有當總線不忙時才能啟動數(shù)據(jù)傳輸。

（二）通信流程

• 啟動條件：主設備通過在SCL輸入為高時，SDA輸入/輸出上的高到低轉換發(fā)送啟動條件來啟動與該設備的I2C通信。
• 地址傳輸：啟動條件后，發(fā)送設備地址字節(jié)，包括數(shù)據(jù)方向位（R/W）。
• 應答機制：設備接收到有效地址字節(jié)后，會在ACK相關時鐘脈沖的高電平期間，通過SDA輸入/輸出上的低電平進行應答（ACK）。
• 數(shù)據(jù)傳輸：每個時鐘脈沖期間只傳輸一位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在時鐘周期的高脈沖期間必須保持穩(wěn)定。
• 停止條件：主設備在SCL輸入為高時，SDA輸入/輸出上的低到高轉換發(fā)送停止條件。

（三）設備地址

五、寄存器相關

（一）寄存器地址與功能

（二）描述符檢索

• HID描述符檢索：圖4展示了典型的HID描述符檢索方式，TCA8424也允許根據(jù)HID over I2C規(guī)范rev 1.0進行部分描述符檢索。
• 報告描述符檢索：報告描述符的內(nèi)容可能因設備版本而異，具體可聯(lián)系TI獲取不同報告描述符內(nèi)容的設備。

六、報告相關

（一）輸入報告

輸入報告用于向主機控制器傳達按鍵按下和釋放的信息。TCA8424能夠傳達多達6個同時按下的按鍵和多達8個修飾鍵。標準修飾鍵包括左Ctrl、左Shift、左Alt、左GUI、右Ctrl、右Shift、右Alt、右GUI。輸入報告在每次按鍵按下和釋放時生成，標準按鍵按下時的數(shù)據(jù)長度字段（前兩個字節(jié)）始終為11。

（二）特殊修飾符與報告ID

• 特殊修飾符（Fn鍵）：TCA8424還支持一個特殊修飾符，如功能（FN）鍵。FN鍵與其他修飾鍵的操作方式不同，它不在輸入報告的修飾符字節(jié)中表示。TCA8424僅支持與FN鍵組合的單鍵按下。
• 報告ID：TCA8424支持五種不同的報告ID，用于主機處理器識別使用ID對應于標準功能鍵還是特殊功能鍵。

（三）輸出報告

輸出報告用于主機打開/關閉鍵盤上的任何指示燈LED（大寫鎖定、數(shù)字鎖定等）。TCA8424根據(jù)所選設備版本可支持2到4個LED指示燈，輸出報告為單字節(jié)報告（8位），每位表示相應LED的狀態(tài)。

七、命令與數(shù)據(jù)寄存器

（一）支持的命令

（二）命令執(zhí)行效果

• RESET：設備接收RESET命令后，將進行全面上電復位，所有寄存器加載默認值，復位約需600μs，在此期間設備將忽略所有I2C通信。
• GET_REPORT：該命令將從設備檢索當前輸入報告，但不會清除按鍵按下或釋放產(chǎn)生的中斷。
• SET_REPORT：用于設置輸出報告的內(nèi)容，數(shù)據(jù)應打包為長度字段為0x0003，第三個字節(jié)應根據(jù)報告描述符定義LED輸出。
• SET_POWER：SET_POWER=SLEEP命令將關閉所有LED輸出并清除輸入報告，SET_POWER=WAKE命令將使LED輸出恢復到接收SET_POWER=SLEEP之前的狀態(tài)。

八、鍵盤映射

非易失性存儲器包含一個鍵盤映射部分，每個字節(jié)位置映射到鍵矩陣上的特定行 - 列交叉點，并包含位于該行 - 列交叉點的鍵的使用ID。鍵盤映射由兩個部分組成，每個行 - 列交叉點映射到每個部分中的一個位置。主要部分包含鍵的使用ID，備用部分包含使用特殊修飾符（FN）時將報告的鍵的備用使用ID。

九、鍵掃描邏輯

（一）功能概述

上電或從RESET恢復時，設備將所有寄存器初始化為上電默認值，所有COLx引腳通過內(nèi)部上拉電阻上拉到VCC，所有ROWx引腳拉低，設備進入空閑/待機模式（最低功率狀態(tài)）。當任何按鍵按下時，一個COL引腳連接到一個ROW引腳，從而拉低相應的COL引腳，啟動鍵掃描。

（二）掃描過程

內(nèi)部振蕩器開啟，每個ROWx引腳依次拉低約800uS，同時在每個步驟采樣COLx輸入。對于每個按下的按鍵，從鍵盤映射中注冊相應的使用ID。大約25mS后，掃描將重復。只要有按鍵按下，掃描就會繼續(xù)重復。當之前按下的按鍵釋放時，會生成一個包含仍按下的按鍵的輸入報告，或者如果沒有按鍵按下，則報告所有使用代碼為零的輸入報告。

（三）中斷輸出

當設備有輸入報告可供主機讀取時，會生成中斷。通過讀取INPUT寄存器可重置中斷，使用GET_REPORT命令不會清除中斷。建議主機處理器在<50ms（消抖時間）內(nèi)響應中斷服務請求，以避免錯過按鍵按下。

十、電源與電氣特性

（一）電源要求

• 推薦電源排序和斜坡速率：在TA = 25°C時，有具體的下降速率、上升速率、重新斜坡時間等要求。
• 絕對最大額定值：規(guī)定了電源電壓范圍、輸入電壓范圍、輸出電流等的最大額定值。
• 推薦工作條件：包括電源電壓、測試引腳電壓、LED輸出電壓、輸入輸出電流、工作溫度等的推薦范圍。

（二）電氣特性

在25°C工作溫度下，對輸入二極管鉗位電壓、輸出低電平電壓、內(nèi)部上拉電阻、電流消耗等參數(shù)有具體規(guī)定。

（三）I2C接口時序要求

對I2C時鐘高時間、低時間、尖峰時間、串行數(shù)據(jù)設置時間、保持時間、輸入上升時間、下降時間等時序參數(shù)有詳細要求。

（四）開關特性

包括中斷復位延遲時間、輸出數(shù)據(jù)有效等參數(shù)的要求。

十一、封裝信息

TCA8424有特定的封裝選項，如TCA8424RHAR采用VQFN封裝，相關封裝信息包括引腳數(shù)量、包裝數(shù)量、環(huán)保標準、濕度敏感度等級、峰值焊接溫度、設備標記等。同時，還提供了封裝材料信息、尺寸信息、示例電路板布局、示例模板設計等內(nèi)容。

通過以上對TCA8424的詳細剖析，相信大家對這款低電壓8x16鍵盤掃描器有了更深入的了解。在實際應用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇和使用該設備，充分發(fā)揮其優(yōu)勢。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)交流分享。