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。其中嵌入式鍵盤作為一種人機交互工具，有著非常重要的作用。通常的鍵盤設(shè)計采用陣列的設(shè)計方式，例如一個含有9個鍵值的鍵盤需要6個通用I／O口來實現(xiàn)通信。鍵盤的鍵值越多，需要的通用I／O口也越多。

I2C(Inter-Integrated Circuit)總線是一種由Philips公司開發(fā)的2線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線最主要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件上，因此I2C總線占用的空間非常小。I2C總線的另一個優(yōu)點是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能夠進行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。但在任何時間點上只能有一個主控。

I2C的這些特點使得在許多設(shè)計中備受青睞，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I2C總線與芯片通信，通過向芯片寫入一定的命令完成某些操作。從而簡化了鍵盤驅(qū)動的處理。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。整個過程只需要3個通用I／O口與CPU通信，可以處理多達64個鍵值的響應(yīng)，有效地節(jié)省了通用I／O口。

2 基本原理

2.1 鍵盤驅(qū)動實現(xiàn)原理

通常的鍵盤采用矩陣式原理，例如對于一個含20個鍵值的鍵盤，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I／O口作為中斷I／O口。一旦外部有鍵按下，就會產(chǎn)生中斷，由于鍵盤被按下后，該鍵對應(yīng)的行和列被連通，因此根據(jù)判斷各列對應(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FIFO隊列，他在內(nèi)部完成按鍵去抖、掃描鍵值、按鍵自動重復(fù)，以及某些時刻報警等一系列復(fù)雜的操作，而鍵盤驅(qū)動本身是需要通過發(fā)送一系列的命令來得到所需要的某些狀態(tài)值，從而進行相應(yīng)的操作。

2.2 I2C總線通信原理

I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，每個電路和模塊都有惟一的地址。CPU會發(fā)出地址碼用來選址，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上，卻彼此獨立，互不相關(guān)。

I2C總線定義了嚴格的傳輸信號來完成一次傳輸。

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

結(jié)束信號：當SCL為低電平時，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)的改變會被識別為起始和停止條件。

應(yīng)答信號：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個信號后，等待受控單元發(fā)出1個應(yīng)答信號，CPU接收到應(yīng)答信號后，根據(jù)實際情況做出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應(yīng)答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。如圖2所示。 

3 具體實現(xiàn)

3.1 接口電路

如圖3所示MAX7347芯片電路示意圖。 

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

當有鍵按下時，連接到鍵盤的11個腳會有電平的變化，芯片會根據(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，同時把INT腳下拉為低電平。此時鍵盤驅(qū)動在檢測到INT變低之后會通過SDA向芯片發(fā)送一系列命令，芯片通過SDA傳回給驅(qū)動相應(yīng)的狀態(tài)及值。SCL和SDA的電平變化嚴格遵循2.2節(jié)介紹的I2C總線通信信號規(guī)律。[!--empirenews.page--]

3.2 軟件實現(xiàn)框架

Windows CE操作系統(tǒng)驅(qū)動層分為MDD層(Model Device Driver，模型設(shè)備驅(qū)動)和PDD(Platform Dependent Driver，平臺相關(guān)驅(qū)動)兩層，框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。MDD層是抽象出來的一些功能，不與硬件直接相關(guān)，他接收PDD層傳來的數(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)，實現(xiàn)硬件接口以及獲得的硬件特性傳遞給MDD層。 

驅(qū)動實現(xiàn)流程，PDD層主要實現(xiàn)鍵盤的監(jiān)控，開辟兩個線程，線程MaxKeyCheckPro監(jiān)控INT腳的電平變化。當有鍵按下，INT拉低，此時在I2C總線準備完畢的情況下，通過I2C總線發(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將FIFO中存儲的鍵值通過I2C總線發(fā)出傳回給線程MaxKeyCheckPro，同時發(fā)出通知給線程KeybdIstThreadProc，將傳遞回來的鍵值傳給線程KeybdIstThreadProc，再由線程KeybdIstThreadProc負責將鍵值傳給MDD層，MDD層負責存儲鍵值，并發(fā)出消息通知相應(yīng)的程序?qū)︽I值做出響應(yīng)。

采用兩個線程的目的是讓各自完成自己的操作，不會造成相互的影響，在按鍵頻繁觸發(fā)的情況下，線程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，不會因為在處理其他的操作而使得下一次按鍵的響應(yīng)有所延遲。

3.3 I2C總線的通信流程

由于按鍵的頻繁按下會導(dǎo)致不停地使用I2C總線讀取芯片F(xiàn)IFO，所以防止2次讀寫之間的干擾(即在一次讀寫沒有完成之前另一次讀寫操作也占用I2C總線，兩次的數(shù)據(jù)會造成紊亂)是一個重要的問題。

針對一次讀寫操作，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個讀寫操作占用I2C總線。在1次讀寫操作開始之前，等待互斥鎖，直到讀寫操作完畢，釋放互斥鎖。這樣當在一次讀寫沒有完成之前，另一次讀寫無法占用I2C總線，而只能等待。具體流程如圖5所示： 

3.4 具體讀寫操作

這里的鍵盤驅(qū)動與普通鍵盤驅(qū)動不同，不需要通過判斷鍵盤矩陣的電平變化來得到鍵值，這些操作由芯片內(nèi)部完成。鍵盤控制器對按鍵操作去抖并且自動存入FIFO中，因此所需要做的操作就是在檢測到鍵盤按下之后讀取FIFO。如圖6所示。

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

4 性能分析

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

5 結(jié) 語

本文介紹基于PXA270處理器和WindowsCE 5.0操作系統(tǒng)上的鍵盤驅(qū)動的設(shè)計和實現(xiàn)。目前已經(jīng)在本平臺上穩(wěn)定運行，具有很好的按鍵處理能力。