基于I2C總線(xiàn)的鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引 言

隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，嵌入式PC在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中嵌入式鍵盤(pán)作為一種人機(jī)交互工具，有著非常重要的作用。通常的鍵盤(pán)設(shè)計(jì)采用陣列的設(shè)計(jì)方式，例如一個(gè)含有9個(gè)鍵值的鍵盤(pán)需要6個(gè)通用I／O口來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。鍵盤(pán)的鍵值越多，需要的通用I／O口也越多。

I2C(Inter-Integrated Circuit)總線(xiàn)是一種由Philips公司開(kāi)發(fā)的2線(xiàn)式串行總線(xiàn)，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線(xiàn)最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。由于接口直接在組件上，因此I2C總線(xiàn)占用的空間非常小。I2C總線(xiàn)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線(xiàn)。一個(gè)主控能夠控制信號(hào)的傳輸和時(shí)鐘頻率。但在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控。

I2C的這些特點(diǎn)使得在許多設(shè)計(jì)中備受青睞，本文所介紹的MAX7347-7349系列芯片，即是一款I(lǐng)2C兼容芯片。它將鍵值掃描等一系列操作封裝在芯片內(nèi)部完成，CPU只需要通過(guò)I2C總線(xiàn)與芯片通信，通過(guò)向芯片寫(xiě)入一定的命令完成某些操作。從而簡(jiǎn)化了鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)的處理。而且由于I2C支持多主控，因此不影響系統(tǒng)其他設(shè)備的操作。整個(gè)過(guò)程只需要3個(gè)通用I／O口與CPU通信，可以處理多達(dá)64個(gè)鍵值的響應(yīng)，有效地節(jié)省了通用I／O口。

2 基本原理

2.1 鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)原理

通常的鍵盤(pán)采用矩陣式原理，例如對(duì)于一個(gè)含20個(gè)鍵值的鍵盤(pán)，采用4×5的矩陣陣列，即4行5列。其中行和列直接與CPU的I／O口相連，4個(gè)I／O口作為中斷I／O口。一旦外部有鍵按下，就會(huì)產(chǎn)生中斷，由于鍵盤(pán)被按下后，該鍵對(duì)應(yīng)的行和列被連通，因此根據(jù)判斷各列對(duì)應(yīng)的I／O口的電平，可以得到被按下鍵的位置，從而采取相應(yīng)的響應(yīng)。

本文所采用的MAX7347-7349系列芯片內(nèi)部有一個(gè)FIFO隊(duì)列，他在內(nèi)部完成按鍵去抖、掃描鍵值、按鍵自動(dòng)重復(fù)，以及某些時(shí)刻報(bào)警等一系列復(fù)雜的操作，而鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)本身是需要通過(guò)發(fā)送一系列的命令來(lái)得到所需要的某些狀態(tài)值，從而進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2.2 I2C總線(xiàn)通信原理

I2C總線(xiàn)是由數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線(xiàn)，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線(xiàn)上，每個(gè)電路和模塊都有惟一的地址。CPU會(huì)發(fā)出地址碼用來(lái)選址，即接通需要控制的電路。所以，各控制電路雖然掛在同一條總線(xiàn)上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。

I2C總線(xiàn)定義了嚴(yán)格的傳輸信號(hào)來(lái)完成一次傳輸。

開(kāi)始信號(hào)：當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。

結(jié)束信號(hào)：當(dāng)SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。如圖1所示。

注意：SDA線(xiàn)上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態(tài)的改變會(huì)被識(shí)別為起始和停止條件。

應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8 b數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出1個(gè)信號(hào)后，等待受控單元發(fā)出1個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況做出是否繼續(xù)傳遞信號(hào)的判斷。若未收到應(yīng)答信號(hào)，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。如圖2所示。 

3 具體實(shí)現(xiàn)

3.1 接口電路

如圖3所示MAX7347芯片電路示意圖。 

其中11個(gè)腳為鍵盤(pán)陣列輸入連接到鍵盤(pán)外設(shè)，3行8列，最多可以控制24個(gè)不同按鍵。3個(gè)腳與PXA 270直接通信，INT為中斷腳，按鍵按下為低電平，SCL為I2C兼容串行時(shí)鐘輸入，SDA為I2C兼容串行I／O口。

當(dāng)有鍵按下時(shí)，連接到鍵盤(pán)的11個(gè)腳會(huì)有電平的變化，芯片會(huì)根據(jù)電平的變化得到按下鍵的鍵值，然后存放在芯片內(nèi)部的FIFO中，同時(shí)把INT腳下拉為低電平。此時(shí)鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)在檢測(cè)到INT變低之后會(huì)通過(guò)SDA向芯片發(fā)送一系列命令，芯片通過(guò)SDA傳回給驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的狀態(tài)及值。SCL和SDA的電平變化嚴(yán)格遵循2.2節(jié)介紹的I2C總線(xiàn)通信信號(hào)規(guī)律。[!--empirenews.page--]

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)框架

Windows CE操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)層分為MDD層(Model Device Driver，模型設(shè)備驅(qū)動(dòng))和PDD(Platform Dependent Driver，平臺(tái)相關(guān)驅(qū)動(dòng))兩層，框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。MDD層是抽象出來(lái)的一些功能，不與硬件直接相關(guān)，他接收PDD層傳來(lái)的數(shù)據(jù)，完成處理得到的鍵值，發(fā)出消息通知處理處理響應(yīng)操作的程序，PDD層與硬件直接相關(guān)，實(shí)現(xiàn)硬件接口以及獲得的硬件特性傳遞給MDD層。 

驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)流程，PDD層主要實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)的監(jiān)控，開(kāi)辟兩個(gè)線(xiàn)程，線(xiàn)程MaxKeyCheckPro監(jiān)控INT腳的電平變化。當(dāng)有鍵按下，INT拉低，此時(shí)在I2C總線(xiàn)準(zhǔn)備完畢的情況下，通過(guò)I2C總線(xiàn)發(fā)送讀取鍵值的命令讀取芯片的FIFO，芯片在接收到命令之后會(huì)將FIFO中存儲(chǔ)的鍵值通過(guò)I2C總線(xiàn)發(fā)出傳回給線(xiàn)程MaxKeyCheckPro，同時(shí)發(fā)出通知給線(xiàn)程KeybdIstThreadProc，將傳遞回來(lái)的鍵值傳給線(xiàn)程KeybdIstThreadProc，再由線(xiàn)程KeybdIstThreadProc負(fù)責(zé)將鍵值傳給MDD層，MDD層負(fù)責(zé)存儲(chǔ)鍵值，并發(fā)出消息通知相應(yīng)的程序?qū)︽I值做出響應(yīng)。

采用兩個(gè)線(xiàn)程的目的是讓各自完成自己的操作，不會(huì)造成相互的影響，在按鍵頻繁觸發(fā)的情況下，線(xiàn)程MaxKey CheckPro可以在快速得到鍵值傳遞出去之后立即等待下一次按鍵的發(fā)生，不會(huì)因?yàn)樵谔幚砥渌牟僮鞫沟孟乱淮伟存I的響應(yīng)有所延遲。

3.3 I2C總線(xiàn)的通信流程

由于按鍵的頻繁按下會(huì)導(dǎo)致不停地使用I2C總線(xiàn)讀取芯片F(xiàn)IFO，所以防止2次讀寫(xiě)之間的干擾(即在一次讀寫(xiě)沒(méi)有完成之前另一次讀寫(xiě)操作也占用I2C總線(xiàn)，兩次的數(shù)據(jù)會(huì)造成紊亂)是一個(gè)重要的問(wèn)題。

針對(duì)一次讀寫(xiě)操作，考慮到其不可打斷性以防止數(shù)據(jù)的破壞，采用mutex互斥鎖。即每次只允許1個(gè)讀寫(xiě)操作占用I2C總線(xiàn)。在1次讀寫(xiě)操作開(kāi)始之前，等待互斥鎖，直到讀寫(xiě)操作完畢，釋放互斥鎖。這樣當(dāng)在一次讀寫(xiě)沒(méi)有完成之前，另一次讀寫(xiě)無(wú)法占用I2C總線(xiàn)，而只能等待。具體流程如圖5所示： 

3.4 具體讀寫(xiě)操作

這里的鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)與普通鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)不同，不需要通過(guò)判斷鍵盤(pán)矩陣的電平變化來(lái)得到鍵值，這些操作由芯片內(nèi)部完成。鍵盤(pán)控制器對(duì)按鍵操作去抖并且自動(dòng)存入FIFO中，因此所需要做的操作就是在檢測(cè)到鍵盤(pán)按下之后讀取FIFO。如圖6所示。

但值得注意的是，每次按鍵按下之后，INT腳會(huì)被拉高，但是只有在將FIFO清空之后INT才會(huì)被拉低，拉低之后如果繼續(xù)有鍵盤(pán)按下，會(huì)繼續(xù)把鍵值存放在FIFO中。所以每次的讀取操作需要清空FIFO。但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)鍵盤(pán)在被快速按下時(shí)，對(duì)于FIFO中的操作都做出響應(yīng)會(huì)影響系統(tǒng)的性能，所以選擇丟掉FIFO隊(duì)列中其他鍵值，只保留最后一個(gè)。

4 性能分析

整個(gè)過(guò)程CPU通過(guò)3根主線(xiàn)和芯片通信，實(shí)現(xiàn)了按鍵操作的快速響應(yīng)和處理，可以控制最多達(dá)64個(gè)按鍵的防抖及響應(yīng)，由于芯片封裝了一部分功能，由硬件來(lái)處理使得速度變快。由于I2C的多主控特點(diǎn)，不會(huì)影響掛在I2C上的其他外設(shè)的工作和性能。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹基于PXA270處理器和WindowsCE 5.0操作系統(tǒng)上的鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。目前已經(jīng)在本平臺(tái)上穩(wěn)定運(yùn)行，具有很好的按鍵處理能力。