深入了解TCA8424：低电压8x16键盘扫描器的技术剖析

在当今的电子设备中，键盘输入是不可或缺的一部分。而TCA8424作为一款低电压8x16键盘扫描器，凭借其独特的特性和功能，在众多设备中得到了广泛应用。今天，我们就来深入剖析一下TCA8424这款产品。

文件下载：TCA8424RHAR.pdf

一、TCA8424概述

TCA8424是一款专门针对运行Windows 8操作系统的终端设备设计的128键扫描设备。它完全符合Microsoft定义的HID over I2C规范（ver 1.0），其HID和报告描述符被硬编码到设备中，无需在生产时进行编程。此外，该设备还带有预编程的键盘映射，与大多数标准笔记本电脑键盘兼容，不过也可在生产时写入任何键盘映射。

二、产品特性亮点

（一）电源与接口特性

• 宽电压范围：工作电源电压范围为1.65V至3.6V，能适应多种不同的电源环境。
• 高速I2C通信：支持高达1MHz的FM+ I2C操作，数据传输速度快。
• 内部复位功能：具备内部上电复位功能，确保设备在启动时能正常初始化。

（二）输出与滤波特性

• 开漏输出：开漏输出可吸收高达12mA的LED电流，方便驱动LED指示灯。
• 噪声滤波：SCL/SDA和输入上具有噪声滤波器，能有效减少外界干扰。

（三）HID相关特性

• 硬件编码描述符：硬件编码的HID和报告描述符，减少编程工作量。
• 预编程键盘映射：带有预编程的键盘映射，也可自定义编程。
• 软件复位：支持根据HID Over I2C标准进行软件复位。
• 支持多种命令：支持RESET、GET REPORT、SET REPORT、SET POWER等HID Over I2C命令。

（四）其他特性

• 多键检测：固定长度8字节的输入报告可检测多达6个同时按下的按键（不包括修饰键）。
• 高抗干扰能力：闩锁性能超过每JESD 78、II类100 mA，ESD保护超过JESD 22。

三、引脚功能详解

名称	类型	功能
VCC	电源	设备的电源电压，I2C总线应上拉至该电压轨，键矩阵IO电压也参考此电源电压。
COL0–COL7	输入	键矩阵的列。
ROW0–ROW15	输出	键矩阵的行。
LED0–LED7	输出	用于驱动LED的开漏输出。
TEST	输入	高电压输入，用于对内部存储器进行编程，应用中需接地。
GND	电源	接地。
INT	输出	低电平有效中断输出，需通过上拉电阻连接到VCC。
SCL	输入	串行时钟总线，需通过上拉电阻连接到VCC。
SDA	I/O	串行数据总线，需通过上拉电阻连接到VCC。

四、I2C接口通信

（一）I2C总线基础

双向I2C总线由串行时钟（SCL）和串行数据（SDA）线组成，两条线都必须通过上拉电阻连接到VCC。只有当总线不忙时才能启动数据传输。

（二）通信流程

• 启动条件：主设备通过在SCL输入为高时，SDA输入/输出上的高到低转换发送启动条件来启动与该设备的I2C通信。
• 地址传输：启动条件后，发送设备地址字节，包括数据方向位（R/W）。
• 应答机制：设备接收到有效地址字节后，会在ACK相关时钟脉冲的高电平期间，通过SDA输入/输出上的低电平进行应答（ACK）。
• 数据传输：每个时钟脉冲期间只传输一位数据，数据在时钟周期的高脉冲期间必须保持稳定。
• 停止条件：主设备在SCL输入为高时，SDA输入/输出上的低到高转换发送停止条件。

（三）设备地址

设备地址的最后一位定义了要执行的操作（读或写），高电平（1）选择读操作，低电平（0）选择写操作。具体地址如下：	SLAVE ADDRESS								I2C BUS SLAVE ADDRESS
B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0
0	1	1	1	0	1	1	0 (W)	134 (decimal), 76(h)
0	1	1	1	0	1	1	1 (R)	135 (decimal), 77(h)

五、寄存器相关

（一）寄存器地址与功能

TCA8424有多个寄存器，包括HID描述符、报告描述符、键盘映射、功能键位置、报告ID等寄存器。以下是部分寄存器的简要介绍：	寄存器名称	地址（Hex）	描述	上电默认值
HID descriptor	0000h - 001Dh	HID描述符	见HID描述符部分
Report Descriptor	0030h - 00F1h	报告描述符	见报告描述符部分
Keyboard Map	0100h - 01FFh	键盘映射	见键盘映射部分
Function Key location	0201h	键盘映射上的功能键位置	0
Default Report ID	0202h	默认报告ID	1

（二）描述符检索

• HID描述符检索：图4展示了典型的HID描述符检索方式，TCA8424也允许根据HID over I2C规范rev 1.0进行部分描述符检索。
• 报告描述符检索：报告描述符的内容可能因设备版本而异，具体可联系TI获取不同报告描述符内容的设备。

六、报告相关

（一）输入报告

输入报告用于向主机控制器传达按键按下和释放的信息。TCA8424能够传达多达6个同时按下的按键和多达8个修饰键。标准修饰键包括左Ctrl、左Shift、左Alt、左GUI、右Ctrl、右Shift、右Alt、右GUI。输入报告在每次按键按下和释放时生成，标准按键按下时的数据长度字段（前两个字节）始终为11。

（二）特殊修饰符与报告ID

• 特殊修饰符（Fn键）：TCA8424还支持一个特殊修饰符，如功能（FN）键。FN键与其他修饰键的操作方式不同，它不在输入报告的修饰符字节中表示。TCA8424仅支持与FN键组合的单键按下。
• 报告ID：TCA8424支持五种不同的报告ID，用于主机处理器识别使用ID对应于标准功能键还是特殊功能键。

（三）输出报告

输出报告用于主机打开/关闭键盘上的任何指示灯LED（大写锁定、数字锁定等）。TCA8424根据所选设备版本可支持2到4个LED指示灯，输出报告为单字节报告（8位），每位表示相应LED的状态。

七、命令与数据寄存器

（一）支持的命令

TCA8424支持以下命令：	操作码	命令名称	对设备的影响
0001b	RESET	设备复位，所有寄存器恢复到默认值，与上电复位效果相同。
0010b	GET_REPORT	最近的输入报告传输到数据寄存器。
0011b	SET_REPORT	数据寄存器内容用于打开/关闭LED。
1000b	SET_POWER	所有LED关闭，设备进入最低电流模式（仍会检测按键按下）。

（二）命令执行效果

• RESET：设备接收RESET命令后，将进行全面上电复位，所有寄存器加载默认值，复位约需600µs，在此期间设备将忽略所有I2C通信。
• GET_REPORT：该命令将从设备检索当前输入报告，但不会清除按键按下或释放产生的中断。
• SET_REPORT：用于设置输出报告的内容，数据应打包为长度字段为0x0003，第三个字节应根据报告描述符定义LED输出。
• SET_POWER：SET_POWER=SLEEP命令将关闭所有LED输出并清除输入报告，SET_POWER=WAKE命令将使LED输出恢复到接收SET_POWER=SLEEP之前的状态。

八、键盘映射

非易失性存储器包含一个键盘映射部分，每个字节位置映射到键矩阵上的特定行 - 列交叉点，并包含位于该行 - 列交叉点的键的使用ID。键盘映射由两个部分组成，每个行 - 列交叉点映射到每个部分中的一个位置。主要部分包含键的使用ID，备用部分包含使用特殊修饰符（FN）时将报告的键的备用使用ID。

九、键扫描逻辑

（一）功能概述

上电或从RESET恢复时，设备将所有寄存器初始化为上电默认值，所有COLx引脚通过内部上拉电阻上拉到VCC，所有ROWx引脚拉低，设备进入空闲/待机模式（最低功率状态）。当任何按键按下时，一个COL引脚连接到一个ROW引脚，从而拉低相应的COL引脚，启动键扫描。

（二）扫描过程

内部振荡器开启，每个ROWx引脚依次拉低约800uS，同时在每个步骤采样COLx输入。对于每个按下的按键，从键盘映射中注册相应的使用ID。大约25mS后，扫描将重复。只要有按键按下，扫描就会继续重复。当之前按下的按键释放时，会生成一个包含仍按下的按键的输入报告，或者如果没有按键按下，则报告所有使用代码为零的输入报告。

（三）中断输出

当设备有输入报告可供主机读取时，会生成中断。通过读取INPUT寄存器可重置中断，使用GET_REPORT命令不会清除中断。建议主机处理器在<50ms（消抖时间）内响应中断服务请求，以避免错过按键按下。

十、电源与电气特性

（一）电源要求

• 推荐电源排序和斜坡速率：在TA = 25°C时，有具体的下降速率、上升速率、重新斜坡时间等要求。
• 绝对最大额定值：规定了电源电压范围、输入电压范围、输出电流等的最大额定值。
• 推荐工作条件：包括电源电压、测试引脚电压、LED输出电压、输入输出电流、工作温度等的推荐范围。

（二）电气特性

在25°C工作温度下，对输入二极管钳位电压、输出低电平电压、内部上拉电阻、电流消耗等参数有具体规定。

（三）I2C接口时序要求

对I2C时钟高时间、低时间、尖峰时间、串行数据设置时间、保持时间、输入上升时间、下降时间等时序参数有详细要求。

（四）开关特性

包括中断复位延迟时间、输出数据有效等参数的要求。

十一、封装信息

TCA8424有特定的封装选项，如TCA8424RHAR采用VQFN封装，相关封装信息包括引脚数量、包装数量、环保标准、湿度敏感度等级、峰值焊接温度、设备标记等。同时，还提供了封装材料信息、尺寸信息、示例电路板布局、示例模板设计等内容。

通过以上对TCA8424的详细剖析，相信大家对这款低电压8x16键盘扫描器有了更深入的了解。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理选择和使用该设备，充分发挥其优势。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流分享。