全功能硬件掃描鍵盤控制器IP核的實現(xiàn)

　　摘　要： 在深入分析掃描鍵盤工作原理的基礎(chǔ)上，給出了一款結(jié)構(gòu)經(jīng)參數(shù)化的全功能硬件掃描鍵盤控制器的實現(xiàn)方案、參數(shù)化方法與仿真結(jié)果，并由此闡明了IP核設(shè)計的一般步驟。實際應(yīng)用表明，所實現(xiàn)的IP核經(jīng)例化后消耗的硬件資源少、使用靈活、工作可靠，可在一定程度上簡化大型系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)過程。此外，設(shè)計中使用的原則、方法與技巧對同類設(shè)計乃至大型設(shè)計有較好的參考價值。
　　關(guān)鍵詞： 掃描鍵盤 控制電路 IP核 CPLD/FPGA HDL

　　IP（Intellectual Property），即常說的知識產(chǎn)權(quán)。在PLD領(lǐng)域中，IP核是指將數(shù)字系統(tǒng)中常用但比較復(fù)雜的一些功能塊設(shè)計成參數(shù)可調(diào)并以HDL源文件或加密網(wǎng)表形式存在的可供其他用戶直接調(diào)用的軟件模塊。由于已經(jīng)過嚴(yán)格的測試和優(yōu)化，使用IP核可以顯著減小設(shè)計和調(diào)試時間，提高開發(fā)效率，降低產(chǎn)品成本。本文以一款結(jié)構(gòu)經(jīng)參數(shù)化的全功能硬件掃描鍵盤控制器的開發(fā)為例，闡述IP核設(shè)計的一般方法與步驟。
1 設(shè)計的意義與可行性
　　鍵盤是計算機系統(tǒng)中最常用的人機交互輸入設(shè)備。在嵌入式系統(tǒng)中，用R+L條口線實現(xiàn)R×L個按鍵的掃描鍵盤的應(yīng)用最為廣泛。與線性鍵盤相比，掃描鍵盤中I/O口線的利用效率有了較大的提高，在一定程度上緩解了I/O引腳短缺的問題，但其傳統(tǒng)實現(xiàn)方案的缺點是需要MPU的相應(yīng)掃描控制程序來配合。為了響應(yīng)輸入，系統(tǒng)實質(zhì)上工作于一種循環(huán)查詢模式，不但占用了較多的MPU處理時間，也增加了系統(tǒng)的功耗。在一些處理任務(wù)量大、對功耗又極為敏感的系統(tǒng)中，這是不能接受的。
　　一方面，通用鍵盤接口芯片（如8279、HD7279A）功耗較大，使用靈活性差；另一方面，可編程邏輯器件在規(guī)模、速度和功耗等性能方面已遠(yuǎn)超出通用邏輯芯片。所以越來越多的大型數(shù)字系統(tǒng)采用CPLD/FPGA構(gòu)建，且系統(tǒng)中可編程邏輯器件的硬件資源通常都有一定剩余，這使得在不增加成本的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)一款硬件掃描鍵盤控制器成為可能。在智能多芯電纜檢測儀的研制過程中，一款這樣的全功能硬件掃描鍵盤控制器便得以成功實現(xiàn)。下面詳細(xì)介紹其工作原理和實現(xiàn)過程。
2 工作原理及功能要求
2.1 掃描鍵盤工作原理
　　以4×4掃描鍵盤為例，工作原理如圖1所示，其中P0～P3為輸出口，P4～P7為輸入口。無按鍵按下時，輸入口被上拉為高電平。輸出口以一定頻率循環(huán)輸出0111、1011、1101、1110。通過讀輸入口的狀態(tài)，便可判斷擊鍵情況。如輸出0111時，輸入口的16種狀態(tài)與擊鍵的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。單列線的掃描頻率（記為Fs）一般應(yīng)界于50～400Hz之間。

2.2 按鍵的去抖動問題
　　由于觸點的彈性作用，機械按鍵在閉合和斷開瞬間會產(chǎn)生抖動，實際電壓波形如圖2所示。其中T₁、T₂、T_S分別為前沿抖動時間、后沿抖動時間和按鍵穩(wěn)定時間。T₁、T₂取決于觸點的機械特性，一般為5～12ms；T_S則主要取決于擊鍵速度的快慢和按鍵按下時間的長短。統(tǒng)計研究表明，以正常速度擊鍵時，T₁、T₂、T_S之和一般不小于12ms。

　　按鍵抖動引起的最大問題是一次擊鍵被誤識別為多次擊鍵，因此應(yīng)避免在抖動期T₁、T₂內(nèi)對輸入行線狀態(tài)進行采樣。去抖動電路的設(shè)計是硬件掃描鍵盤控制器設(shè)計中的關(guān)鍵之一。
2.3 全功能鍵盤控制器的功能要求
　　在鍵盤使用過程中，實際擊鍵情況有兩種：單擊和連擊。單擊時用戶希望通過短時間擊鍵只產(chǎn)生一個有效鍵值；連擊時用戶長時間按下按鍵，希望持續(xù)快速產(chǎn)生多個有效鍵值。為方便使用，鍵盤設(shè)計應(yīng)區(qū)分快速單擊和持續(xù)連擊：兩者都用來快速產(chǎn)生多個鍵值，區(qū)別在于擊鍵的動作和使用的場合。前者要求每次單擊后釋放按鍵，常用于參數(shù)小范圍內(nèi)的精調(diào)；而后者則要求按鍵長時間保持在按下狀態(tài)，以實現(xiàn)參數(shù)大范圍內(nèi)的快速調(diào)節(jié)。
　　連擊過程如圖2所示，其中t_J為去抖時間，即從擊鍵起到產(chǎn)生第一個有效鍵值的最小時間間隔，t_F和t_S分別為首次重復(fù)延時和持續(xù)連擊時間間隔。三者的取值要求參見表2。

　　除上述要求外，全功能掃描鍵盤控制器還要求能識別多鍵同擊的情況。出于簡化設(shè)計的目的，本設(shè)計僅考慮同列按鍵的多鍵同擊問題。解決此問題的辦法是使R×L掃描鍵盤（R為輸入行線數(shù)，L為掃描列線數(shù)）可以識別的等效按鍵數(shù)從R×L增加到（以4×4為例，從16個增加為60個）。
3 IP核的實現(xiàn)
3.1 硬件實現(xiàn)
　　全功能硬件掃描鍵盤控制器由3個計數(shù)器（分頻計數(shù)器、延時計數(shù)器和掃描計數(shù)器）、2個標(biāo)志寄存器（連擊標(biāo)志寄存器和中斷標(biāo)志寄存器）、1個鍵值鎖存器和相應(yīng)組合邏輯電路組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。圖中，對外提供5組（或個）信號引腳：clk和DB通常與CPLD/FPGA中的其他模塊公用，前者用于同步時鐘信號的輸入，后者用于鍵值的輸出；INT、Row和Line是鍵盤控制器的專用引腳，分別用于中斷輸出、掃描列線輸出和上拉行線輸入。其中行線的上拉電阻既可以選用外部電阻，也可以使用IOE（Input Output Element）中可編程選擇的自帶上拉電阻。

　　考慮到CPLD/FPGA器件的硬件資源特點和HDL（Hardware Description Language）的編程原則，掃描鍵盤控制器整體上采用同步設(shè)計方案，所有觸發(fā)器均由輸入時鐘信號clk（頻率為F_clk）驅(qū)動。由于輸入頻率較高，通常需要對其進行分頻處理（分頻系數(shù)為N）。本設(shè)計沒有直接采用傳統(tǒng)意義上的分頻計數(shù)器，而是用分頻計數(shù)器（位數(shù)為N_div）的輸出，控制其他觸發(fā)器的時鐘允許信號（可理解為只有當(dāng)分頻計數(shù)器計數(shù)至N-1時，其他觸發(fā)器的時鐘信號才有效，見圖3）來實現(xiàn)等效分頻（等效分頻頻率為Fd）。與前者相比，此方法有以下優(yōu)點：①實現(xiàn)了分頻系數(shù)以1為增量的連續(xù)可調(diào)（前者可實現(xiàn)的分頻系數(shù)通常為2的n次冪）；②在消耗相同硬件資源的情況下，最大分頻系數(shù)提高了1倍；③避免了在同一設(shè)計中出現(xiàn)多個全局時鐘信號，為高效的器件適配和布局布線提供了保證。當(dāng)無需鍵盤輸入時，只要關(guān)斷clk信號，掃描鍵盤控制電路便進入低功耗模式。圖3中符號“||”所代表的節(jié)點的信號便是用于等效分頻的內(nèi)部信號，它是由分頻計數(shù)器的輸出經(jīng)過組合邏輯電路產(chǎn)生的。
　　掃描計數(shù)器（位數(shù)為N_scan）和譯碼器用于列線的自動掃描。無按鍵時，掃描計數(shù)器以頻率Fd計數(shù)，計數(shù)值經(jīng)譯碼輸出使列線處于自動掃描狀態(tài)；有擊鍵時，掃描計數(shù)器立即停止計數(shù)，直到所有按鍵被釋放。當(dāng)log₂ L為小數(shù)，即計數(shù)器可表示的狀態(tài)數(shù)大于列線數(shù)時，譯碼器為部分譯碼，掃描計數(shù)器計至（L-1）時需要被同步復(fù)位。
　　按鍵檢測電路用于擊鍵的檢測，是用組合邏輯電路實現(xiàn)的。無擊鍵時，它異步復(fù)位延時計數(shù)器和連擊標(biāo)志寄存器；有按鍵按下時，它使掃描計數(shù)器停止計數(shù)。
　　延時計數(shù)器（位數(shù)為N_delay）和連擊標(biāo)志寄存器與相應(yīng)組合邏輯電路配合，完成去抖和鍵值鎖存控制，是本設(shè)計的關(guān)鍵。首先根據(jù)表3確定去抖計數(shù)值M、連擊首次延時計數(shù)值P和持續(xù)連擊間隔計數(shù)值Q。有按鍵按下時，相應(yīng)異步復(fù)位信號無效，延時計數(shù)器開始計數(shù)（前沿抖動可能導(dǎo)致計數(shù)器被再次復(fù)位）。計數(shù)至（M-1）時掃描鍵值（掃描計數(shù)器輸出+鍵盤行線輸入）被同步鎖存，同時置位中斷標(biāo)志寄存器；若按鍵仍處于按下狀態(tài)，繼續(xù)計數(shù)到（P-1）后，在等效分頻時鐘的下一上升沿，置位連擊標(biāo)志寄存器和中斷標(biāo)志寄存器、鎖存掃描鍵值，并復(fù)位延時計數(shù)器；待重新計數(shù)至（Q-1）后，再次同步置位中斷標(biāo)志寄存器、鎖存掃描鍵值、復(fù)位延時計數(shù)器。重復(fù)上述步驟三，連續(xù)產(chǎn)生鍵值直到所有按鍵被釋放。
　　鍵值鎖存器（位數(shù)為N_key）用于掃描鍵值的暫存；中斷標(biāo)志對應(yīng)于INT引腳輸出，既可供MPU查詢也可用于向MPU提出中斷請求。當(dāng)然，通過DB總線讀相應(yīng)內(nèi)部標(biāo)志也可以判斷是否有新的鍵值產(chǎn)生。為使鍵盤能夠及時響應(yīng)新的輸入，本設(shè)計提供兩種鍵值鎖存器和中斷標(biāo)志復(fù)位機制：一是MPU讀取鍵值后，可用軟件方法立即復(fù)位；二是待分頻計數(shù)器再次計數(shù)至（C-1）時，自動實現(xiàn)兩者的同步復(fù)位，其中C為INT信號持續(xù)有效的輸入時鐘周期數(shù)。
3.2 結(jié)構(gòu)的參數(shù)化
　　參數(shù)化是IP核設(shè)計過程中的重要一步，本設(shè)計使用到的參數(shù)可分為兩類：一類是外在參數(shù)，直接由用戶根據(jù)實際需要指定，包括F_clk、Fs、R、L、C、t_J、t_F、t_S；另一類是對用戶透明的內(nèi)部參數(shù)，由直接參數(shù)派生而來，多用于描述設(shè)計實體的規(guī)模和特性，包括N、F_d、M、P、Q、N_div、N_scan、Nd_elay、N_key。內(nèi)部參數(shù)的確定方法及參數(shù)間的相互關(guān)系如表3所示。

　　按照圖3所描述的結(jié)構(gòu)與信號流向以及表3給出的參數(shù)確定方法，借助適當(dāng)?shù)腍DL（本設(shè)計采用VHDL）語句，將設(shè)計準(zhǔn)確地描述出來，便完成了掃描鍵盤控制器軟IP核的初步制作。
3.3 實例化及仿真
　　在智能多芯電纜檢測儀的研制過程中，取掃描鍵盤參數(shù)如下：F_clk=32768Hz（clk信號由MSP430的輔助時鐘提供），F(xiàn)s=256Hz，C=31，R=L=4，t_J=16ms、t_F=600ms、t_S=200ms。選擇MAX EPM7512AETC144作為目標(biāo)器件，本設(shè)計在Altera Quartus II 5.0 sp1集成開發(fā)環(huán)境中順利通過了綜合、仿真和適配。由于鍵盤控制器屬低速電路，設(shè)置綜合參數(shù)為面積優(yōu)先（這里指綜合器可以適當(dāng)降低最高實現(xiàn)工作頻率，以減小PLD器件的硬件資源消耗），適配結(jié)果僅消耗30邏輯宏單元（Macro Cell），clk引腳允許輸入的最大時鐘頻率為68MHz。使用實踐表明：所實現(xiàn)的掃描鍵盤控制器使用方便、工作可靠。
　　上文實際參數(shù)的綜合結(jié)果在時序仿真時需要耗費很長的時間，圖4給出了對應(yīng)于F_clk=4000Hz、Fs=250Hz、C=3、R=L=4、t_J=4ms、t_F=6ms、t_S=3ms的示意仿真波形。其中，按鍵抖動是用寬度為1ms的隨機信號模擬的。
　　經(jīng)仿真和實踐驗證設(shè)計的正確性之后，編寫配套說明書，對設(shè)計文件作最后的封裝，至此便完成了全功能硬件掃描鍵盤控制器IP核的全部開發(fā)過程。

4 需要特別說明的兩個問題
　　(1)設(shè)計中直接使用了組合邏輯電路的輸出來異步復(fù)位延時計數(shù)器和連擊標(biāo)志寄存器，這有可能因為時序競爭而導(dǎo)致設(shè)計失敗，在本IP核的實例化過程中，Quartus II軟件的設(shè)計輔助工具（Design Assistant）會給出嚴(yán)重警告信息。當(dāng)然，就CPLD/FPGA的開發(fā)原則來說，這種情況是應(yīng)當(dāng)極力避免的。但在本設(shè)計中，非但不會導(dǎo)致設(shè)計失敗，相反正是巧妙地利用了這一點，既可靠地解決了按鍵去抖問題，又極大地簡化了硬件的設(shè)計。首先，相對于硬件電路的反應(yīng)速度（ns級）而言，可以認(rèn)為多個按鍵被同時按下的情況是基本不存在的。顯然，當(dāng)組合邏輯電路的多個輸入端每一時刻僅有一個信號發(fā)生改變時，不會導(dǎo)致時序競爭。其次，即使出現(xiàn)時序競爭導(dǎo)致延時計數(shù)器被復(fù)位，由于它多因按鍵的抖動引起，此時的復(fù)位操作正是去抖所需要的，也即本設(shè)計對此處的時序競爭是不敏感的。
　　(2)借助于IP核的使用特點和CPLD/FPGA器件的在系統(tǒng)編程（ISP）特性，在保證硬件掃描鍵盤控制器使用靈活性和通用性的基礎(chǔ)上，避免了在設(shè)計中引入可編程的控制寄存器，從而進一步簡化了設(shè)計，減小了硬件資源消耗。
　　與基于MPU的傳統(tǒng)掃描鍵盤實現(xiàn)方案相比，硬件掃描鍵盤控制器工作時無需掃描程序配合，減輕了MPU負(fù)擔(dān)，降低了系統(tǒng)功耗，同時也有效地緩解了I/O引腳短缺的問題。IP核的實現(xiàn)，大大增加了本設(shè)計的通用性、可移植性和可重復(fù)利用性；巧妙的設(shè)計，保證了例化后占用非常少的硬件資源。從而為在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上，簡化大型系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計流程、縮短產(chǎn)品開發(fā)時間提供了一條新途徑。
　　此外，更為重要的是，本文以一款結(jié)構(gòu)經(jīng)參數(shù)化的全功能硬件掃描鍵盤控制器的設(shè)計為例，從一般意義上闡述了IP核的設(shè)計方法、設(shè)計步驟與設(shè)計途徑。文中給出的參數(shù)數(shù)據(jù)和用到的設(shè)計原則、設(shè)計方法與設(shè)計技巧對同類設(shè)計乃至大型設(shè)計都有很好的參考和借鑒意義。
參考文獻
1 吳繼華，王 誠.Altera FPGA/CPLD 設(shè)計（高級篇）[M].北京:人民郵電出版社,2005
2 Quartus II Version 5.0 Handbook[EB/OL]. . Altera Corporation， 2005
3 MAX 7000A Programmable Logic Device Data Sheet[EB/OL].. Altera Corporation，2003