isp1016實現(xiàn)機載導(dǎo)航系統(tǒng)的鍵盤控制
關(guān)鍵詞：鍵盤控制器 在線可編程 掃描線 isp1016
1 鍵盤控制器的外部接口信號
無論在任何計算機系統(tǒng)中，鍵盤都是最重要的輸入設(shè)備，但是普通鍵盤不能滿足機載要求。筆者在新一代電子航空圖導(dǎo)航系統(tǒng)中，用Lattice公司的ispLSI1016設(shè)計了一個4×5鍵盤控制器（以下簡稱KBC），經(jīng)實際應(yīng)用，該鍵盤控制器通用性較強。圖1是其鍵盤和顯示器外觀示意圖。
一航情況下，KBC應(yīng)該是CPU的一個外部I/O設(shè)備，它一方面監(jiān)測各按鈕狀態(tài)，另一方面接受CPU的查詢并主動向CPU請求中斷。因此，外部接口信號分CPU接口信號和鍵盤按鈕矩陣狀態(tài)信號。圖2為通用KBC外部接口信號示意圖，其定義如下：
*Reset：復(fù)位，低有效。該信號有效時將異步復(fù)位內(nèi)部所有寄存器，以對KBC進(jìn)行初始化；
*CLK：工作時鐘，頻率為100kHz；
*CS：片選，低有效；
*RD：讀信號，低有效；
*A0:片內(nèi)地址，用于區(qū)分片內(nèi)寄存器；
*INT:中斷請求，高有效。當(dāng)鍵盤控制器檢測到有效按鍵時，該腳為高，當(dāng)CPU讀走按鍵編碼時，KBC自動撤銷中斷請求；
*D4～D0：三態(tài)數(shù)據(jù)線；
*SL3～SL0:掃描輸出，按鍵盤矩陣的列線；
*RL4～RL0:回復(fù)線，接鍵盤矩陣的行線。
實際上，大部分矩陣鍵盤的行列是可對換的。
2 KBC接口寄存器定義及驅(qū)動程序
KBC針對CPU接口設(shè)計有2個只讀寄存器，即數(shù)據(jù)寄存器（Dreg）和狀態(tài)寄存器（Sreg）。數(shù)據(jù)寄存器用于保持有效按鍵的編碼值，該編碼值就是按鍵所在的行列；而狀態(tài)寄存器則用于保持按鍵的狀態(tài)信息，以供CPU查詢。當(dāng)CPU訪問KBC時（即CS和RD同時有效）,adk A0=0，則訪問數(shù)據(jù)寄存器，否則訪問狀態(tài)寄存器。表1、表2分別是數(shù)據(jù)寄存器和狀態(tài)寄存器的定義。
表1 數(shù)據(jù)寄存器定義
| D7 D6 D5 | D4 D3 | D2 D1 D0 |
| X X X | Col(列值) | Row(行值) |
表2 狀態(tài)寄存器定義
| D7 D6 D5 | D4 D3 D2 D1 | D0 |
| X X X | 0 0 0 0 |
顯然，KBC的編程可以有2種模式，一種是軟件查詢，另一種是中斷驅(qū)動。由于本系統(tǒng)采用WindowNT為運行環(huán)境，KBC對應(yīng)用程序透明，所以，將INT請求直接和CPU的某一空閑中斷(IRQ9)相連接，以便使驅(qū)動程序能將KBC作為一個設(shè)備打開。在初始化加載時，應(yīng)將對應(yīng)中斷觸發(fā)設(shè)置為電平敏感。其VC核心代碼如下：
＃define SReg 0x401 //鍵盤狀態(tài)寄存器地址
#define DReg 0x400 //鍵盤數(shù)據(jù)寄存器地址
…
BYTE SR,Key,Row,Col；
…
SR=inp(SReg)&0x1f;
//讀數(shù)據(jù)寄存器，低6位有效
Col=Key>>3；
//右移3位，提取按鍵列值
Row=Key & 0x07；//提取按鍵行值
}
至此，就可根據(jù)Row和Col的值將它翻譯為某一標(biāo)準(zhǔn)鍵，并存入NT鍵盤緩沖區(qū)。
3 KBC內(nèi)部邏輯設(shè)計
內(nèi)部控制邏輯設(shè)計的關(guān)鍵是掌握按鍵識別原理。圖3所示是其鍵盤識別原理圖。設(shè)計時，可將按鍵設(shè)置在行線、列線的交點上。行線通過上拉電阻接到VCC(+5V)，無按鍵時處于高電平。有按鍵時行線電平狀態(tài)由列線決定。所有列線均為高則行線高，任一列線為低則行線低。KBC處理的核心就在于確認(rèn)某一行線為低時，能定位出對應(yīng)的列線。
3.1 輸出掃描線（SL3..SL0）
在設(shè)計輸出掃描線時，可以使用一個2-Bit狀態(tài)機Q5[L1..0]來依次輪流使掃描線輸出為低電平。驅(qū)動時鐘的周期為640ms，亦即每即掃描線持續(xù)640ms的低電平。將狀態(tài)機的狀態(tài)編碼值和當(dāng)前周期為低電平的掃描線序號對應(yīng)起來，即可簡化后續(xù)處理。圖4是掃描線輸出波形。注意，無論何種按鍵組合，在任一狀態(tài)，有且僅有一個掃描線為低電平，否則后續(xù)處理將無法正確識別。
3.2 鍵盤編碼
處理回復(fù)線（RL4..RL0）時，應(yīng)該對其中為低電平的行線進(jìn)行編碼。5個行線需要3-Bit寄存器，記為[RQ5..RQ0]，其真值表如下：
[RL4..RL0] ->[RQ2..0]
----------------
[H,H,H,H,L] ->[0,0,0];0
[H,H,H,L,H] ->[0,0,1];1
[H,H,L,H,H] ->[0,1,0];2
[H,L,H,H,H] ->[0,1,1];3
[L,H,H,H,H] ->[1,0,0];4
當(dāng)KBC確認(rèn)是有效按鍵后，應(yīng)把行列編碼值放入緩沖，以供CPU讀取，其邏輯表達(dá)如下：
式中，[KSL1,KSL0]是記錄有效按鍵的掃描線編碼，即當(dāng)時的[QSL1..0]狀態(tài)。
3.3 CPU的讀操作
CPU讀狀態(tài)寄存器時，系統(tǒng)把中斷請求寄存器INT的值送出，而讀數(shù)據(jù)寄存器時，它將把FIFO緩沖的按鍵值送出，處理CPU讀操作的表達(dá)式如下：
[D4..D0].oe=!CS & !RD; //寄存器由三態(tài)控制
[D4..D0]=(!A0 & [FIFO4..FIFO0])＃ //A0=0：送按鍵數(shù)據(jù)
(A0 & [L,L,L,L,INT])； //A0=1；送狀態(tài)
INT.ar=!Reset #(!CS&!RD & !A0);//讀數(shù)據(jù)寄存器時應(yīng)撤銷中斷
3.4 鍵盤處理狀態(tài)機
該狀態(tài)處理機是KBC處理的核心。圖5是其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，其驅(qū)動時鐘應(yīng)該比掃描周期快而且應(yīng)該是它的整數(shù)倍。此處采用的80ms時鐘周期是掃描周期的8倍。下面討論其狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件。
S0：復(fù)位狀態(tài)
1.記錄當(dāng)前掃描周期
2.if若有低電平的回復(fù)線then S1 else S0；
S1:
1. 啟動延時（去抖）計數(shù)器，延時10.24ms
2. 無條件進(jìn)入下一狀態(tài)S2
S2:去抖狀態(tài)
if去抖正確then S3
else S0
S3:確認(rèn)狀態(tài)
1. 將有效鍵值打入FIFO緩沖
2. 設(shè)置
4 改進(jìn)建議
上述KBC完全可以滿足一般系統(tǒng)對鍵盤的要求，但仍然可以改進(jìn)以使之更加智能化。例如使CPU能夠?qū)BC的讀操作和寫入控制字進(jìn)行適當(dāng)控制、使KBC可處理組合按鍵和按鍵連擊、增加KBC多字節(jié)的緩沖等。上述功能完全可以根據(jù)設(shè)計者系統(tǒng)和應(yīng)用程序的要求進(jìn)行改進(jìn)。本設(shè)計源代碼使用的是ABLE硬件描述語言，對此感興趣的同志可以和作者進(jìn)行聯(lián)系。
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