isp1016實現機載導航系統的鍵盤控制

關鍵詞：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中，鍵盤都是最重要的輸入設備，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航系統中，用Lattice公司的ispLSI1016設計了一個45鍵盤控制器（以下簡稱KBC），經實際應用，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應該是CPU的一個外部I/O設備，它一方面監測各按鈕狀態，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信號。圖2為通用KBC外部接口信號示意圖，其定義如下：

*Reset：復位，低有效。該信號有效時將異步復位內部所有寄存器，以對KBC進行初始化；

*CLK：工作時鐘，頻率為100kHz；

*CS：片選，低有效；

*RD：讀信號，低有效；

*A0:片內地址，用于區分片內寄存器；

*INT:中斷請求，高有效。當鍵盤控制器檢測到有效按鍵時，該腳為高，當CPU讀走按鍵編碼時，KBC自動撤銷中斷請求；

*D4～D0：三態數據線；

*SL3～SL0:掃描輸出，按鍵盤矩陣的列線；

*RL4～RL0:回復線，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動程序

KBC針對CPU接口設計有2個只讀寄存器，即數據寄存器（Dreg）和狀態寄存器（Sreg）。數據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；而狀態寄存器則用于保持按鍵的狀態信息，以供CPU查詢。當CPU訪問KBC時（即CS和RD同時有效）,adk A0=0，則訪問數據寄存器，否則訪問狀態寄存器。表1、表2分別是數據寄存器和狀態寄存器的定義。

表1 數據寄存器定義

表2 狀態寄存器定義

顯然，KBC的編程可以有2種模式，一種是軟件查詢，另一種是中斷驅動。由于本系統采用WindowNT為運行環境，KBC對應用程序透明，所以，將INT請求直接和CPU的某一空閑中斷(IRQ9)相連接，以便使驅動程序能將KBC作為一個設備打開。在初始化加載時，應將對應中斷觸發設置為電平敏感。其VC核心代碼如下：

＃define SReg 0x401 //鍵盤狀態寄存器地址

#define DReg 0x400 //鍵盤數據寄存器地址

…

BYTE SR,Key,Row,Col；

…

SR=inp(SReg)0x1f;

//讀數據寄存器，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Row和Col的值將它翻譯為某一標準鍵，并存入NT鍵盤緩沖區。

3 KBC內部邏輯設計

內部控制邏輯設計的關鍵是掌握按鍵識別原理。圖3所示是其鍵盤識別原理圖。設計時，可將按鍵設置在行線、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某一行線為低時，能定位出對應的列線。

3.1 輸出掃描線（SL3..SL0）

在設計輸出掃描線時，可以使用一個2-Bit狀態機Q5[L1..0]來依次輪流使掃描線輸出為低電平。驅動時鐘的周期為640ms，亦即每即掃描線持續640ms的低電平。將狀態機的狀態編碼值和當前周期為低電平的掃描線序號對應起來，即可簡化后續處理。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，有且僅有一個掃描線為低電平，否則后續處理將無法正確識別。

3.2 鍵盤編碼

處理回復線（RL4..RL0）時，應該對其中為低電平的行線進行編碼。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KBC確認是有效按鍵后，應把行列編碼值放入緩沖，以供CPU讀取，其邏輯表達如下：

式中，[KSL1,KSL0]是記錄有效按鍵的掃描線編碼，即當時的[QSL1..0]狀態。

3.3 CPU的讀操作

CPU讀狀態寄存器時，系統把中斷請求寄存器INT的值送出，而讀數據寄存器時，它將把FIFO緩沖的按鍵值送出，處理CPU讀操作的表達式如下：

[D4..D0].oe=!CS !RD; //寄存器由三態控制

[D4..D0]=(!A0 [FIFO4..FIFO0])＃ //A0=0：送按鍵數據

(A0 [L,L,L,L,INT])； //A0=1；送狀態

INT.ar=!Reset #(!CS!RD !A0);//讀數據寄存器時應撤銷中斷

3.4 鍵盤處理狀態機

該狀態處理機是KBC處理的核心。圖5是其狀態轉移圖，其驅動時鐘應該比掃描周期快而且應該是它的整數倍。此處采用的80ms時鐘周期是掃描周期的8倍。下面討論其狀態轉移條件。

S0：復位狀態

1.記錄當前掃描周期

2.if若有低電平的回復線then S1 else S0；

S1:

1. 啟動延時（去抖）計數器，延時10.24ms

2. 無條件進入下一狀態S2

S2:去抖狀態

if去抖正確then S3

else S0

S3:確認狀態

1. 將有效鍵值打入FIFO緩沖

2. 設置

4 改進建議

上述KBC完全可以滿足一般系統對鍵盤的要求，但仍然可以改進以使之更加智能化。例如使CPU能夠對KBC的讀操作和寫入控制字進行適當控制、使KBC可處理組合按鍵和按鍵連擊、增加KBC多字節的緩沖等。上述功能完全可以根據設計者系統和應用程序的要求進行改進。本設計源代碼使用的是ABLE硬件描述語言，對此感興趣的同志可以和作者進行聯系。