基于ARM9的多行列鍵盤設(shè)計(jì)及其驅(qū)動實(shí)現(xiàn)

1  引  言

許多嵌入式系統(tǒng)，尤其是一些人機(jī)交互（HMI）較頻繁的嵌入式系統(tǒng)，鍵盤是一種應(yīng)用最為廣泛的輸入設(shè)備。由于嵌入式設(shè)備的功能互異性，為其提供一種通用性鍵盤是不可行的，一般都需要根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)際功能來設(shè)計(jì)所需的特殊鍵盤，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的驅(qū)動程序。

在嵌入式設(shè)備上擴(kuò)展鍵盤的常用方式是通過使用CPU的GPIO端口掃描實(shí)現(xiàn)的，顯然，這種方式會占用系統(tǒng)的GPIO資源，特別是在GPIO資源比較緊張而按鍵又較多的系統(tǒng)，這個問題就特別突出。當(dāng)然，也可以通過外擴(kuò)GPIO（如8255等）或外擴(kuò)專用的鍵盤接口（如8279等）方式實(shí)現(xiàn)，但這種方式顯然增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中頗感不便。

本文以在ARM9（AT91RM9200）嵌入式微處理器上實(shí)現(xiàn)一個POS機(jī)鍵盤（8×8）為例，呈現(xiàn)了一種在嵌入式設(shè)備上擴(kuò)展多行列鍵盤的新設(shè)計(jì)思路，并在ARM-Linux系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鍵盤的驅(qū)動程序。

2、接口電路的硬件設(shè)計(jì)

本文通過一個設(shè)計(jì)實(shí)例，說明如何使用一種比較簡單的方式，來實(shí)現(xiàn)一個8×8的POS機(jī)矩陣鍵盤，POS機(jī)所采用的微處理器是AT91RM9200芯片。AT91RM9200是ATMEL公司生產(chǎn)的一款高性能的32位ARM9處理器，它是一款通用工業(yè)級ARM芯片，在工業(yè)控制、智能儀器儀表等領(lǐng)域內(nèi)得到了大量的應(yīng)用[3,4]，其詳細(xì)芯片特性可參見文獻(xiàn)[2]。

在AT91RM9200上擴(kuò)展鍵盤，一般都是通過其GPIO端口來實(shí)現(xiàn)。AT91RM9200雖提供了4×32個可編程的GPIO端口。但為減小芯片體積和功耗，其許多GPIO端口都是與系統(tǒng)的外圍設(shè)備控制器端口或地址線、數(shù)據(jù)線進(jìn)行復(fù)用的，所以實(shí)際可用于擴(kuò)展的GPIO端口是很少的。而對于一個 8×8鍵盤，若采用傳統(tǒng)的GPIO端口擴(kuò)展方式，則需要16個GPIO，這在一個比較復(fù)雜的POS系統(tǒng)中是很難滿足的，因此需要采用其他方式來解決這個問題。

圖1  鍵盤接口原理圖

本文通過數(shù)據(jù)鎖存的方式，充分利用32位處理器的數(shù)據(jù)寬度優(yōu)勢，使用數(shù)據(jù)線來替代鍵盤擴(kuò)展所需的GPIO端口，從而減少對系統(tǒng)GPIO資源的占用。鍵盤接口的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。在圖1所示的電路中，U1301（74LVCC4245）為三態(tài)緩沖器，U1302（74HC574）為鎖存器，系統(tǒng)工作原理描述如下：

U1301的nOE端連接系統(tǒng)的譯碼輸出nKey_CS，部件地址由系統(tǒng)譯碼電路決定，當(dāng)向該地址寫數(shù)據(jù)時，nKey_CS信號為低電平，數(shù)據(jù)可以通過U1301，同時，nKey_CS信號經(jīng)兩級反相器延時后作為鎖存信號將數(shù)據(jù)鎖存到U1302的輸出端，作為鍵盤的行掃描信號，而鍵盤的列掃描信號則仍然使用系統(tǒng)的GPIO。依次向每行送出低電平信號，同時檢測連接在GPIO的列信號，即可實(shí)現(xiàn)對鍵盤的掃描。在本系統(tǒng)中，只使用了系統(tǒng)32位數(shù)據(jù)的低8 位作為行掃描信號，在實(shí)現(xiàn)8×8矩陣鍵盤掃描的情況下，僅需要占用8個GPIO口，如果采用同樣的方式，分別使用16位數(shù)據(jù)或32位數(shù)據(jù)作為行掃描信號，則只需要占用4個或2個GPIO，顯然，與傳統(tǒng)的方式相比較，該方式可以大大節(jié)省系統(tǒng)的GPIO資源。

3、鍵盤的驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)

完成接口電路的設(shè)計(jì)之后，還需要編寫相應(yīng)的鍵盤驅(qū)動模塊。本文采用AT91RM9200芯片中已經(jīng)運(yùn)行了ARM-Linux操作系統(tǒng)，因此給鍵盤的驅(qū)動程序開發(fā)提供了很大的方便。鍵盤的驅(qū)動模塊可分為硬件初始化、文件操作函數(shù)的實(shí)現(xiàn)以及鍵盤掃描程序三個部分。

3.1  硬件初始化

鍵盤驅(qū)動程序的開發(fā)模式與Linux系統(tǒng)中一般字符設(shè)備的驅(qū)動開發(fā)步驟相似，關(guān)于Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)的詳細(xì)分析可參考文獻(xiàn)[1]。首先需完成的是驅(qū)動程序模塊的初始化函數(shù)和清除函數(shù)。在初始化函數(shù)中，除完成模塊注冊外，還應(yīng)進(jìn)行硬件初始化，下面是本文根據(jù)AT91RM9200芯片的GPIO控制器的特性[2]，在模塊的初始化函數(shù)中的硬件初始化的偽代碼。
……
設(shè)置所使用GPIO端口為GPIO控制器控制
設(shè)置所使用GPIO端口的類型為輸入
使能所使用GPIO端口的輸入毛刺濾波功能
使能相應(yīng)的GPIO控制器時鐘
取指定地址的虛擬地址并向地址寫入數(shù)據(jù)0x0
……

3.2  文件操作函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

因?yàn)殒I盤在系統(tǒng)中一般只起輸入作用，因此在鍵盤驅(qū)動程序的file_operations結(jié)構(gòu)中，必須實(shí)現(xiàn)的文件操作函數(shù)只有文件讀函數(shù)。

另外在實(shí)際應(yīng)用中，為防止鍵盤按鍵的丟失，被按下鍵的掃描代碼通常都放置在一個緩沖區(qū)內(nèi)，直到應(yīng)用程序準(zhǔn)備處理一個按鍵為止。緩沖區(qū)大小一般視應(yīng)用系統(tǒng)的需求而定，本例中緩沖區(qū)大小取為20個按鍵代碼。而緩沖區(qū)的實(shí)現(xiàn)是以一個環(huán)形隊(duì)列的形式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)按鍵按下后，掃描代碼將被放置在隊(duì)列的下一個空位置，若緩沖區(qū)已滿，則下一按鍵將會被丟棄。應(yīng)用程序則通過鍵盤的讀函數(shù)read()從緩沖區(qū)的位置指針處起，讀取所需個數(shù)的鍵碼；完成讀取操作后，還需將已被讀取的鍵碼從緩沖隊(duì)列中刪除，并更新緩沖區(qū)的位置指針。下面給出了本例中，實(shí)現(xiàn)的鍵盤讀函數(shù)key_read()的偽代碼：
ssize_t key_read(……)
{
定義并初始化變量；
if 緩沖區(qū)中可被讀取的鍵碼數(shù)大于0；
    取得鍵碼放置緩沖區(qū)的自旋鎖；
    計(jì)算此次讀操作可讀取的代碼個數(shù)M（緩沖區(qū)中可讀取的代碼個數(shù)與程序要求個數(shù)之間的較小者）；
    從緩沖區(qū)位置指針開始，從緩沖區(qū)中拷貝M個的鍵碼到用戶空間緩沖區(qū)內(nèi)；
    更新緩沖區(qū)的位置指針和緩沖區(qū)中還剩余的鍵碼個數(shù)；
    釋放自旋鎖
    返回此次讀操作成功讀取的代碼個數(shù)。
  Else
返回-1
}

3.3  鍵盤掃描程序

鍵盤的工作原理是通過鍵盤的行線和列線的狀態(tài)來判斷鍵盤中有無按鍵被按下。鍵盤掃描程序的功能就是用來判斷處于按下狀態(tài)的按鍵的具體位置及取得相應(yīng)的鍵碼值，因此掃描程序的設(shè)計(jì)是鍵盤驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)的核心。

鍵盤掃描程序的實(shí)現(xiàn)主要有兩種，即輪詢方式和中斷方式[5]。在本例中，利用操作系統(tǒng)定時器隊(duì)列與輪詢掃描方式結(jié)合的方法對鍵盤的驅(qū)動程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要是基于以下兩個方面的原因。其一是AT91RM9200芯片的中斷信號線是非常寶貴的硬件資源，每一組GPIO端口只配置了一根中斷信號線，即32個GPIO端口共享一條信號線。這樣若采用中斷方式，則至少需要占用一條芯片中斷信號線，對多行列的鍵盤，如果其所采用的 GPIO端口不是來自于同一組時，就需要占用多條中斷信號線。而且若其他設(shè)備使用的GPIO端口與鍵盤使用的GPIO口屬于同一組，那么在兩種設(shè)備的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)中，必須進(jìn)行中斷共享，這樣不僅使系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，且易產(chǎn)生中斷丟失和中斷竟態(tài)等問題，使設(shè)備性能受到影響。其二鍵盤是系統(tǒng)中屬于一種相對低速的設(shè)備，采用輪詢方式完全可以滿足鍵盤的輸入要求。

ARM-Linux操作系統(tǒng)提供了良好的定時器機(jī)制，因此通過簡單定時器操作，就可以實(shí)現(xiàn)以固定間隔對鍵盤的狀態(tài)進(jìn)行掃描并對按鍵事件進(jìn)程處理，固定間隔的大小可根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行配置，定義器的詳細(xì)操作可參見文獻(xiàn)[1]。如前所述，鍵盤掃描程序的功能就是對鍵盤的狀態(tài)進(jìn)行判斷和處理。若無按鍵按下，則掃描直接返回；若有按鍵按下，則對被按下鍵的位置進(jìn)行判斷，并將相應(yīng)的鍵碼值寫入緩沖區(qū)中。因?yàn)楸纠械逆I盤是為POS機(jī)配置，因此按鍵的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要，因此在掃描代碼中對按鍵值進(jìn)行了多次驗(yàn)證，下面是本例中使用的鍵盤掃描程序的偽代碼：
int Scan_Keyboard()
   {

定義并初始化變量；

取得鍵碼放置緩沖區(qū)的自旋鎖；

if   緩沖區(qū)中還有空；

① 依次判斷各GPIO口的狀態(tài)，若無低電平，則無鍵按下，直接退出if語句；否則，有鍵按下，且當(dāng)前檢驗(yàn)的GPIO口連接的行線即為按鍵所在的行；

② 給鍵盤列線連接的數(shù)據(jù)線依次送入高電平，再通過判斷按鍵行線所在的GPIO端口的電平狀態(tài)，得到按鍵所在的列；

延時一小段時間，以消除鍵盤抖動；

③ 再向給鍵盤列線連接的數(shù)據(jù)線全送低電平，使用代碼段①再次判斷是否有鍵按下，若有，則取得按鍵所在的行；

④ 同樣使用代碼段②重新判斷按鍵所在的列；

⑤ 判斷第一次得到的按鍵的行與列是否與第二次完全一樣，若完全相同，則可進(jìn)入下一步，否則退出if語句；

⑥ 重新向給鍵盤列線連接的數(shù)據(jù)線全送低電平，并判斷按鍵是否彈起，若仍處于按下狀態(tài)，則繼續(xù)等待，否則根據(jù)行與列，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)鍵值，并寫入緩沖區(qū)；

if語句結(jié)束；

釋放自旋鎖；

函數(shù)返回 0；
}

完成驅(qū)動程序代碼編寫后，就可以將鍵盤的驅(qū)動程序加載到ARM-Linux內(nèi)核中了，既可以采用靜態(tài)加載方式，也可以采用動態(tài)方式進(jìn)行加載。加載后，在應(yīng)用程序中鍵盤的編程使用方式與其他字符設(shè)備一樣。采用本文所述方式設(shè)計(jì)的鍵盤，目前已配置在筆者參與開發(fā)的POS機(jī)中交用戶使用，據(jù)用戶測試，鍵盤的輸入準(zhǔn)確率和反應(yīng)時間都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4、結(jié)束語

本文以運(yùn)行ARM-Linux的AT91RM9200系統(tǒng)為基礎(chǔ)，提出了一種在ARM9上擴(kuò)展特殊鍵盤的新設(shè)計(jì)方法，并對鍵盤擴(kuò)展的硬件設(shè)計(jì)和驅(qū)動軟件開發(fā)都作了詳細(xì)說明。本設(shè)計(jì)方法利用數(shù)據(jù)鎖存方式替代了常規(guī)的GPIO擴(kuò)展，提高了系統(tǒng)硬件的資源利用率，這一思想也為在其他嵌入式設(shè)備擴(kuò)展多行列鍵盤提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。
 
參考文獻(xiàn)
[1] 魏永明，駱剛，姜君（譯）．Linux設(shè)備驅(qū)動程序（第二版）[M]．中國電力出版社．2002.4
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[3] 張秀松．基于AT91RM9200的嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2006，1-2:45-47
[4] 王建忠,田力,武凌.基于ARM920T核的AT91RM9200微控制器及其在嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用［Ｊ］.微計(jì)算機(jī)信息， 2004，20(5):49-51
[5] 馬忠梅．ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程[M]．北京航空航天大學(xué)出版社．2004.9