全功能硬件掃描鍵盤(pán)控制器IP核的實(shí)現(xiàn)

　　摘　要： 在深入分析掃描鍵盤(pán)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(pán)控制器的實(shí)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(jì)的一般步驟。實(shí)際應(yīng)用表明，所實(shí)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(jiǎn)化大型系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程。此外，設(shè)計(jì)中使用的原則、方法與技巧對(duì)同類設(shè)計(jì)乃至大型設(shè)計(jì)有較好的參考價(jià)值。
　　關(guān)鍵詞： 掃描鍵盤(pán) 控制電路 IP核 CPLD/FPGA HDL

　　IP（Intellectual Property），即常說(shuō)的知識(shí)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(jì)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(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和優(yōu)化，使用IP核可以顯著減小設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間，提高開(kāi)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(pán)控制器的開(kāi)發(fā)為例，闡述IP核設(shè)計(jì)的一般方法與步驟。
1 設(shè)計(jì)的意義與可行性
　　鍵盤(pán)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最常用的人機(jī)交互輸入設(shè)備。在嵌入式系統(tǒng)中，用R+L條口線實(shí)現(xiàn)R×L個(gè)按鍵的掃描鍵盤(pán)的應(yīng)用最為廣泛。與線性鍵盤(pán)相比，掃描鍵盤(pán)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(wèn)題，但其傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案的缺點(diǎn)是需要MPU的相應(yīng)掃描控制程序來(lái)配合。為了響應(yīng)輸入，系統(tǒng)實(shí)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(shí)間，也增加了系統(tǒng)的功耗。在一些處理任務(wù)量大、對(duì)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(pán)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(lái)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(shí)現(xiàn)一款硬件掃描鍵盤(pán)控制器成為可能。在智能多芯電纜檢測(cè)儀的研制過(guò)程中，一款這樣的全功能硬件掃描鍵盤(pán)控制器便得以成功實(shí)現(xiàn)。下面詳細(xì)介紹其工作原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
2 工作原理及功能要求
2.1 掃描鍵盤(pán)工作原理
　　以4×4掃描鍵盤(pán)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(wú)按鍵按下時(shí)，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(guò)讀輸入口的狀態(tài)，便可判斷擊鍵情況。如輸出0111時(shí)，輸入口的16種狀態(tài)與擊鍵的對(duì)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(dòng)問(wèn)題
　　由于觸點(diǎn)的彈性作用，機(jī)械按鍵在閉合和斷開(kāi)瞬間會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，實(shí)際電壓波形如圖2所示。其中T₁、T₂、T_S分別為前沿抖動(dòng)時(shí)間、后沿抖動(dòng)時(shí)間和按鍵穩(wěn)定時(shí)間。T₁、T₂取決于觸點(diǎn)的機(jī)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(shí)間的長(zhǎng)短。統(tǒng)計(jì)研究表明，以正常速度擊鍵時(shí)，T₁、T₂、T_S之和一般不小于12ms。

　　按鍵抖動(dòng)引起的最大問(wèn)題是一次擊鍵被誤識(shí)別為多次擊鍵，因此應(yīng)避免在抖動(dòng)期T₁、T₂內(nèi)對(duì)輸入行線狀態(tài)進(jìn)行采樣。去抖動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是硬件掃描鍵盤(pán)控制器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵之一。
2.3 全功能鍵盤(pán)控制器的功能要求
　　在鍵盤(pán)使用過(guò)程中，實(shí)際擊鍵情況有兩種：?jiǎn)螕艉瓦B擊。單擊時(shí)用戶希望通過(guò)短時(shí)間擊鍵只產(chǎn)生一個(gè)有效鍵值；連擊時(shí)用戶長(zhǎng)時(shí)間按下按鍵，希望持續(xù)快速產(chǎn)生多個(gè)有效鍵值。為方便使用，鍵盤(pán)設(shè)計(jì)應(yīng)區(qū)分快速單擊和持續(xù)連擊：兩者都用來(lái)快速產(chǎn)生多個(gè)鍵值，區(qū)別在于擊鍵的動(dòng)作和使用的場(chǎng)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(zhǎng)時(shí)間保持在按下?tīng)顟B(tài)，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)大范圍內(nèi)的快速調(diào)節(jié)。
　　連擊過(guò)程如圖2所示，其中t_J為去抖時(shí)間，即從擊鍵起到產(chǎn)生第一個(gè)有效鍵值的最小時(shí)間間隔，t_F和t_S分別為首次重復(fù)延時(shí)和持續(xù)連擊時(shí)間間隔。三者的取值要求參見(jiàn)表2。

　　除上述要求外，全功能掃描鍵盤(pán)控制器還要求能識(shí)別多鍵同擊的情況。出于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的目的，本設(shè)計(jì)僅考慮同列按鍵的多鍵同擊問(wèn)題。解決此問(wèn)題的辦法是使R×L掃描鍵盤(pán)（R為輸入行線數(shù)，L為掃描列線數(shù)）可以識(shí)別的等效按鍵數(shù)從R×L增加到（以4×4為例，從16個(gè)增加為60個(gè)）。
3 IP核的實(shí)現(xiàn)
3.1 硬件實(shí)現(xiàn)
　　全功能硬件掃描鍵盤(pán)控制器由3個(gè)計(jì)數(shù)器（分頻計(jì)數(shù)器、延時(shí)計(jì)數(shù)器和掃描計(jì)數(shù)器）、2個(gè)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(gè)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(duì)外提供5組（或個(gè)）信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)的輸入，后者用于鍵值的輸出；INT、Row和Line是鍵盤(pán)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(diǎn)和HDL（Hardware Description Language）的編程原則，掃描鍵盤(pán)控制器整體上采用同步設(shè)計(jì)方案，所有觸發(fā)器均由輸入時(shí)鐘信號(hào)clk（頻率為F_clk）驅(qū)動(dòng)。由于輸入頻率較高，通常需要對(duì)其進(jìn)行分頻處理（分頻系數(shù)為N）。本設(shè)計(jì)沒(méi)有直接采用傳統(tǒng)意義上的分頻計(jì)數(shù)器，而是用分頻計(jì)數(shù)器（位數(shù)為N_div）的輸出，控制其他觸發(fā)器的時(shí)鐘允許信號(hào)（可理解為只有當(dāng)分頻計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)至N-1時(shí)，其他觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)才有效，見(jiàn)圖3）來(lái)實(shí)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(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)了分頻系數(shù)以1為增量的連續(xù)可調(diào)（前者可實(shí)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(jì)中出現(xiàn)多個(gè)全局時(shí)鐘信號(hào)，為高效的器件適配和布局布線提供了保證。當(dāng)無(wú)需鍵盤(pán)輸入時(shí)，只要關(guān)斷clk信號(hào)，掃描鍵盤(pán)控制電路便進(jìn)入低功耗模式。圖3中符號(hào)“||”所代表的節(jié)點(diǎn)的信號(hào)便是用于等效分頻的內(nèi)部信號(hào)，它是由分頻計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)過(guò)組合邏輯電路產(chǎn)生的。
　　掃描計(jì)數(shù)器（位數(shù)為N_scan）和譯碼器用于列線的自動(dòng)掃描。無(wú)按鍵時(shí)，掃描計(jì)數(shù)器以頻率Fd計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值經(jīng)譯碼輸出使列線處于自動(dòng)掃描狀態(tài)；有擊鍵時(shí)，掃描計(jì)數(shù)器立即停止計(jì)數(shù)，直到所有按鍵被釋放。當(dāng)log₂ L為小數(shù)，即計(jì)數(shù)器可表示的狀態(tài)數(shù)大于列線數(shù)時(shí)，譯碼器為部分譯碼，掃描計(jì)數(shù)器計(jì)至（L-1）時(shí)需要被同步復(fù)位。
　　按鍵檢測(cè)電路用于擊鍵的檢測(cè)，是用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)的。無(wú)擊鍵時(shí)，它異步復(fù)位延時(shí)計(jì)數(shù)器和連擊標(biāo)志寄存器；有按鍵按下時(shí)，它使掃描計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。
　　延時(shí)計(jì)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(jì)的關(guān)鍵。首先根據(jù)表3確定去抖計(jì)數(shù)值M、連擊首次延時(shí)計(jì)數(shù)值P和持續(xù)連擊間隔計(jì)數(shù)值Q。有按鍵按下時(shí)，相應(yīng)異步復(fù)位信號(hào)無(wú)效，延時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)（前沿抖動(dòng)可能導(dǎo)致計(jì)數(shù)器被再次復(fù)位）。計(jì)數(shù)至（M-1）時(shí)掃描鍵值（掃描計(jì)數(shù)器輸出+鍵盤(pán)行線輸入）被同步鎖存，同時(shí)置位中斷標(biāo)志寄存器；若按鍵仍處于按下?tīng)顟B(tài)，繼續(xù)計(jì)數(shù)到（P-1）后，在等效分頻時(shí)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(shí)計(jì)數(shù)器；待重新計(jì)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(shí)計(jì)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(duì)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(qǐng)求。當(dāng)然，通過(guò)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(pán)能夠及時(shí)響應(yīng)新的輸入，本設(shè)計(jì)提供兩種鍵值鎖存器和中斷標(biāo)志復(fù)位機(jī)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(jì)數(shù)器再次計(jì)數(shù)至（C-1）時(shí)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩者的同步復(fù)位，其中C為INT信號(hào)持續(xù)有效的輸入時(shí)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(jì)過(guò)程中的重要一步，本設(shè)計(jì)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(shí)際需要指定，包括F_clk、Fs、R、L、C、t_J、t_F、t_S；另一類是對(duì)用戶透明的內(nèi)部參數(shù)，由直接參數(shù)派生而來(lái)，多用于描述設(shè)計(jì)實(shí)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?qǐng)D3所描述的結(jié)構(gòu)與信號(hào)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(jì)采用VHDL）語(yǔ)句，將設(shè)計(jì)準(zhǔn)確地描述出來(lái)，便完成了掃描鍵盤(pán)控制器軟IP核的初步制作。
3.3 實(shí)例化及仿真
　　在智能多芯電纜檢測(cè)儀的研制過(guò)程中，取掃描鍵盤(pán)參數(shù)如下：F_clk=32768Hz（clk信號(hào)由MSP430的輔助時(shí)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(jì)在Altera Quartus II 5.0 sp1集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中順利通過(guò)了綜合、仿真和適配。由于鍵盤(pán)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(shí)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(shí)鐘頻率為68MHz。使用實(shí)踐表明：所實(shí)現(xiàn)的掃描鍵盤(pán)控制器使用方便、工作可靠。
　　上文實(shí)際參數(shù)的綜合結(jié)果在時(shí)序仿真時(shí)需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，圖4給出了對(duì)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(dòng)是用寬度為1ms的隨機(jī)信號(hào)模擬的。
　　經(jīng)仿真和實(shí)踐驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性之后，編寫(xiě)配套說(shuō)明書(shū)，對(duì)設(shè)計(jì)文件作最后的封裝，至此便完成了全功能硬件掃描鍵盤(pán)控制器IP核的全部開(kāi)發(fā)過(guò)程。

4 需要特別說(shuō)明的兩個(gè)問(wèn)題
　　(1)設(shè)計(jì)中直接使用了組合邏輯電路的輸出來(lái)異步復(fù)位延時(shí)計(jì)數(shù)器和連擊標(biāo)志寄存器，這有可能因?yàn)闀r(shí)序競(jìng)爭(zhēng)而導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗，在本IP核的實(shí)例化過(guò)程中，Quartus II軟件的設(shè)計(jì)輔助工具（Design Assistant）會(huì)給出嚴(yán)重警告信息。當(dāng)然，就CPLD/FPGA的開(kāi)發(fā)原則來(lái)說(shuō)，這種情況是應(yīng)當(dāng)極力避免的。但在本設(shè)計(jì)中，非但不會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗，相反正是巧妙地利用了這一點(diǎn)，既可靠地解決了按鍵去抖問(wèn)題，又極大地簡(jiǎn)化了硬件的設(shè)計(jì)。首先，相對(duì)于硬件電路的反應(yīng)速度（ns級(jí)）而言，可以認(rèn)為多個(gè)按鍵被同時(shí)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(gè)輸入端每一時(shí)刻僅有一個(gè)信號(hào)發(fā)生改變時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致時(shí)序競(jìng)爭(zhēng)。其次，即使出現(xiàn)時(shí)序競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致延時(shí)計(jì)數(shù)器被復(fù)位，由于它多因按鍵的抖動(dòng)引起，此時(shí)的復(fù)位操作正是去抖所需要的，也即本設(shè)計(jì)對(duì)此處的時(shí)序競(jìng)爭(zhēng)是不敏感的。
　　(2)借助于IP核的使用特點(diǎn)和CPLD/FPGA器件的在系統(tǒng)編程（ISP）特性，在保證硬件掃描鍵盤(pán)控制器使用靈活性和通用性的基礎(chǔ)上，避免了在設(shè)計(jì)中引入可編程的控制寄存器，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，減小了硬件資源消耗。
　　與基于MPU的傳統(tǒng)掃描鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)方案相比，硬件掃描鍵盤(pán)控制器工作時(shí)無(wú)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(shí)也有效地緩解了I/O引腳短缺的問(wèn)題。IP核的實(shí)現(xiàn)，大大增加了本設(shè)計(jì)的通用性、可移植性和可重復(fù)利用性；巧妙的設(shè)計(jì)，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(jiǎn)化大型系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)流程、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)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(pán)控制器的設(shè)計(jì)為例，從一般意義上闡述了IP核的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)步驟與設(shè)計(jì)途徑。文中給出的參數(shù)數(shù)據(jù)和用到的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)技巧對(duì)同類設(shè)計(jì)乃至大型設(shè)計(jì)都有很好的參考和借鑒意義。
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