基于嵌入式Linux的矩陣鍵盤驅動程序研究與開發(fā)

摘 要：主要介紹基于嵌入式Linux的矩陣鍵盤驅動程序設計的方法，硬件平臺基于TI提供的OMA：P5912構建的嵌入式語音識別系統(tǒng)，充分利用0MAP5912的外圍硬件資源，矩陣鍵盤作為平臺設備和輸入設備，利用Linux內核提供的輸入子系統(tǒng)。輸入子系統(tǒng)為輸入設備驅動開發(fā)提供了良好的接口，提高了驅動程序的開發(fā)效率。驅動開發(fā)完成后，在MiniGui和Qtopia下測試，結果證明驅動程序工作高效、穩(wěn)定。
關鍵詞：矩陣鍵盤；嵌入式Linux；OMAP5912；設備驅動

O 引 言
    隨著以計算機技術、通信技術和軟件技術為核心的信息技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在各個行業(yè)中得到了廣泛的應用。嵌入式系統(tǒng)已成為當今IT行業(yè)的焦點之一。而在嵌入式系統(tǒng)中，鍵盤是重要的人機交互設備之一。嵌入式Linux是一種開放源碼、軟實時、多任務的操作系統(tǒng)，是開發(fā)嵌入式產品的優(yōu)秀操作系統(tǒng)平臺，是在標準Linux基礎上針對嵌入式系統(tǒng)進行優(yōu)化和裁剪后形成的，因此具有Linux的基本性質。在此提出的矩陣鍵盤驅動程序的設計方案是以嵌入式Linux和TIOMAP5912處理器為軟硬件平臺的，在設計的嵌入式語音識別應用平臺中，通過測試，表明其具有良好的穩(wěn)定性和實時性。

l 硬件原理
    OMAP5912處理器是由TI應用最為廣泛的TMS320C55X DSP內核與低功耗、增強型ARM926EJ—S微處理器組成的雙核應用處理器。用這樣一種組合方式將2個處理器整合在1個芯片后，開發(fā)人員可以根據實際情況，利用DSP運行復雜度較高的數字信號處理任務，利用ARM運行通信、控制和人機接口方面的任務，從而使便攜式設備在保持良好人機交互環(huán)境的基礎上，有效地降低功耗。在外設方面，OMAP5912微處理器支持常用的各種接口，其中通過MPUIO接口最多可支持8×8的矩陣鍵盤，系統(tǒng)中采用這個接口擴展了一個4×5的矩陣鍵盤。其硬件連接示意圖如圖1所示，其中按鍵行陣列必須提供上拉信號，列陣列加二極管，防止瞬間電流過大對MPUIO口造成沖擊。

    按照鍵盤的構造方式人們把鍵盤劃分為線性鍵盤和矩陣鍵盤。其中，線性鍵盤是指每個按鍵都占用嵌入式處理器的1個I／O端口，并通過這個I／O端口實現(xiàn)人機交互，各個按鍵之間互不影響。使用這種方案的優(yōu)點是簡單、可靠，但是線性鍵盤對I／O端口的占用量很大。因此，嵌入式系統(tǒng)中很少采用這種方法。
    另外一種矩陣鍵盤是指當按鍵數量過多時，采用矩陣的排列方法，將按鍵設計成n行m列的矩陣形式。其中，每個按鍵占用行和列的1個交叉點，并且以行和列為單位引出信號線。這樣只需要占用n+m個I／O端口，卻可以驅動n×m個按鍵，大大節(jié)省了對嵌入式處理器I／O端口的占用，節(jié)省了寶貴的資源。矩陣鍵盤在減少嵌入式處理器I／O端口占用的問題上做出了很大的貢獻，但隨之而來的問題是如何確定矩陣中按鍵的位置，這里采用列掃描法，其思路如下：
    在鍵盤初始化階段，所有的列信號(KBC)都被設置輸出為低電平。如果矩陣鍵盤中的1個按鍵按下，則相應的行信號和列信號線短路，行信號線(KBR)輸入由高電平變?yōu)榈碗娖剑a生1個中斷，然后在驅動的中斷服務程序中按照表1中的序列逐列掃描列信號，讀取行信號的狀態(tài)，根據讀回來的行信號狀態(tài)就可以判斷有那些按鍵按下。
    另外，鍵盤驅動必須解決的一個問題是鍵盤的抖動。在按鍵按下和抬起的過程中，電壓信號會出現(xiàn)很多毛刺，這主要是由于機械按鍵的彈性作用引起的。盡管觸點看起來非常穩(wěn)定，而且快速地閉合，但相對于嵌入式處理器的運行速度來說，這種動作是比較慢的。這種脈沖在某些按鍵功能設計時，如果處理不當可能會帶來災難性的后果。所以必須對按鍵信號進行防抖檢測。按鍵防抖檢測的核心思想是在嵌入式處理器的幾個時鐘周期內，通過對按鍵信號進行多次訪問，查看電平狀態(tài)是否保存一致。如果保持一致，則說明按鍵狀態(tài)已經穩(wěn)定；否則，說明之前檢測到的按鍵信號是抖動信號或外界信號干擾，系統(tǒng)將不會對其進行任何處理。

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2 嵌入式Linux設備驅動程序
    在Linux內核源代碼中，各種驅動程序的代碼量占據了整個Linux代碼的85％?？梢?，Linux設備驅動在整個操作系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。設備驅動是操作系統(tǒng)內核和機器硬件之間的接口，它們控制著設備的操作動作，并且提供了一組API接口給應用程序，使得應用程序能夠與這個設備互動。而且，設備驅動為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)，在應用程序看來，硬件設備只是1個設備文件，應用程序就可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。在Linux操作系統(tǒng)中，通常將外圍設備分為3種類型：字符設備、塊設備和網絡設備。
    而在Linux操作系統(tǒng)中，還有一類設備被定義為“平臺設備”，通常So(System on Chip)系統(tǒng)中集成的獨立的外設單元都被當作平臺設備來處理，這里把4×5的矩陣鍵盤也定義為平臺設備。所謂的“平臺設備”并不是與字符設備、塊設備和網絡設備并列的概念，而是Linux系統(tǒng)提供的一種附加手段，例如，鍵盤驅動，它本身是字符設備，但也將其歸納為平臺設備。
    另外，鍵盤又屬于輸入設備，Linux內核提供了輸入子系統(tǒng)，如鍵盤、觸摸屏、鼠標等輸入設備都可以利用輸入子系統(tǒng)的接口函數來實現(xiàn)設備驅動。輸入子系統(tǒng)由核心層(Input Core)、驅動層和事件處理層(EventHandler)三部分組成。在Linux內核中，使用輸入子系統(tǒng)實現(xiàn)輸入設備驅動的時候，驅動的核心工作是向系統(tǒng)報告按鍵、觸摸屏、鼠標等輸入事件。而不再需要關心文件操作接口，因為輸入子系統(tǒng)已經完成了文件操作接口。通過輸入子系統(tǒng)，實現(xiàn)輸入設備驅動時只需要完成以下工作：
    (1)在模塊加載函數中告知輸入子系統(tǒng)輸入設備可以報告的事件。例如，可通過_set_bit(EV_KEY，input_dex，一>evbit)來告知輸入子系統(tǒng)該設備可報告按鍵事件。
    (2)在模塊加載函數中注冊輸入設備。注冊函數為：int input_register_device(struct input_dev*dev)；
    (3)當有輸入事件發(fā)生時，如按鍵按下／抬起、觸摸屏被觸摸／抬起／移動時，通過input_report_xxx()報告發(fā)生的事件及對應的鍵值、坐標等狀態(tài)。主要的事件類型包括EV_KEY(按鍵事件)、EV_REL(相對值，如鼠標移動，報告相對于最后一次位置的偏移)和EV_ABS(絕對值，如觸摸屏)。用于報告EV_KEY事件的函數為：void input_report_key(struct input_dev*dev，un—signed int code，int value)；
    (4)在模塊卸載函數中注銷輸入設備。注銷輸入設備的函數為：void input_unregister_device(struct in—put_dev*dev)；

3 矩陣鍵盤驅動中的數據結構
    首先，定義一個整型數組osk_keymap[]用來定義按鍵映射表，把20個按鍵返回的碼值映射成內核中標準的鍵碼，這樣有利于與上層應用程序的交互。通過KEY(col，row，code)宏定義來實現(xiàn)映射關系，如要把第2行第4列的按鍵映射為回車鍵，則通過KEY(3，1，KEY_ENTER)便可實現(xiàn)。其中KEY_ENTER是內核中定義的標準的鍵碼。
    其次，定義矩陣鍵盤的設備結構體omap_kp，其定義如下：

4 矩陣鍵盤驅動程序設計及測試
    首先，實現(xiàn)矩陣鍵盤驅動的加載和卸載函數，分別通過調用platform_drivet_register()和platform_driV—er_unregister()實現(xiàn)矩陣鍵盤作為一個平臺設備的注冊和注銷。
    其次，實現(xiàn)矩陣鍵盤驅動的探測和移除函數。在探測函數中，初始化行數、列數、中斷號以及按鍵映射表。然后分配內存空間和輸入設備，初始化omap_kp這個設備結構體和輸入設備結構體input_dev，初始化定時器，設置輸入設備可以報告的事件類型，并注冊輸入設備。最后申請中斷，申請中斷成功后，使能中斷。移除函數則完成相反的工作。
    最后，實現(xiàn)矩陣鍵盤驅動的核心部分，也就是中斷部分。眾所周知，在Linux的中斷處理中分為2部分，分別是頂半部(top half)和底半部(bottom half)。頂半部完成盡可能少的比較緊急的功能，它只是簡單地讀取寄存器中的中斷狀態(tài)并清除中斷標志后就進行“登記中斷”的工作?！暗怯浿袛唷币馕吨鴮⒌装氩刻幚沓绦驋斓皆撛O備的底半部執(zhí)行隊列中去。這樣。頂半部執(zhí)行的速度就會很快，可以服務更多的中斷請求。底半部，是實現(xiàn)中斷處理的真正部分，它來完成一些延緩的耗時任務，首先通過列掃描法檢測各個按鍵狀態(tài)有沒有變化，若有變化再判斷是哪一列哪一行發(fā)生變化，按鍵的行和列確定以后，通過鍵值映射表來查找其有沒有對應的鍵值；若有則通過input_report_key()向內核報告按鍵的鍵值；否則，對應的按鍵沒有定義鍵值，向內核報告為假按鍵(Spurious Key)。然后，延時(1／20)Hz再判斷按鍵是否抬起。
    驅動開發(fā)完成后，以模塊方式加入到內核，并在MiniGui和Qtopia下進行了測試，在Qtopia下測試結果如圖2所示，證明矩陣鍵盤驅動工作正常、有效。

5 結 語
    在此介紹了基于0MAP5912和嵌入式Linux的一種矩陣鍵盤驅動的工作原理和開發(fā)方案。該驅動以靜態(tài)方式加入內核后，通過測試證明矩陣鍵盤驅動工作穩(wěn)定、高效，在MiniGui和Qtopia的記事本中，都能正確顯示正確的鍵值，基本上實現(xiàn)了其功能，并成功地應用于所開發(fā)的嵌入式語音識別系統(tǒng)中。