基于ARM9的多行列鍵盤設計及其驅動實現

1 引 言

許多嵌入式系統，尤其是一些人機交互（HMI）較頻繁的嵌入式系統，鍵盤是一種應用最為廣泛的輸入設備。由于嵌入式設備的功能互異性，為其提供一種通用性鍵盤是不可行的，一般都需要根據嵌入式系統的實際功能來設計所需的特殊鍵盤，并實現相應的驅動程序。

在嵌入式設備上擴展鍵盤的常用方式是通過使用CPU的GPIO端口掃描實現的，顯然，這種方式會占用系統的GPIO資源，特別是在GPIO資源比較緊張而按鍵又較多的系統，這個問題就特別突出。當然，也可以通過外擴GPIO（如8255等）或外擴專用的鍵盤接口（如8279等）方式實現，但這種方式顯然增加了系統的復雜度，在實際系統設計中頗感不便。

本文以在ARM9（AT91RM9200）嵌入式微處理器上實現一個POS機鍵盤（8×8）為例，呈現了一種在嵌入式設備上擴展多行列鍵盤的新設計思路，并在ARM-Linux系統實現了鍵盤的驅動程序。

2、接口電路的硬件設計

本文通過一個設計實例，說明如何使用一種比較簡單的方式，來實現一個8×8的POS機矩陣鍵盤，POS機所采用的微處理器是AT91RM9200芯片。AT91RM9200是ATMEL公司生產的一款高性能的32位ARM9處理器，它是一款通用工業級ARM芯片，在工業控制、智能儀器儀表等領域內得到了大量的應用[3,4]，其詳細芯片特性可參見文獻[2]。

在AT91RM9200上擴展鍵盤，一般都是通過其GPIO端口來實現。AT91RM9200雖提供了4×32個可編程的GPIO端口。但為減小芯片體積和功耗，其許多GPIO端口都是與系統的外圍設備控制器端口或地址線、數據線進行復用的，所以實際可用于擴展的GPIO端口是很少的。而對于一個 8×8鍵盤，若采用傳統的GPIO端口擴展方式，則需要16個GPIO，這在一個比較復雜的POS系統中是很難滿足的，因此需要采用其他方式來解決這個問題。

圖1 鍵盤接口原理圖

本文通過數據鎖存的方式，充分利用32位處理器的數據寬度優勢，使用數據線來替代鍵盤擴展所需的GPIO端口，從而減少對系統GPIO資源的占用。鍵盤接口的實現原理如圖1所示。在圖1所示的電路中，U1301（74LVCC4245）為三態緩沖器，U1302（74HC574）為鎖存器，系統工作原理描述如下：

U1301的nOE端連接系統的譯碼輸出nKey_CS，部件地址由系統譯碼電路決定，當向該地址寫數據時，nKey_CS信號為低電平，數據可以通過U1301，同時，nKey_CS信號經兩級反相器延時后作為鎖存信號將數據鎖存到U1302的輸出端，作為鍵盤的行掃描信號，而鍵盤的列掃描信號則仍然使用系統的GPIO。依次向每行送出低電平信號，同時檢測連接在GPIO的列信號，即可實現對鍵盤的掃描。在本系統中，只使用了系統32位數據的低8 位作為行掃描信號，在實現8×8矩陣鍵盤掃描的情況下，僅需要占用8個GPIO口，如果采用同樣的方式，分別使用16位數據或32位數據作為行掃描信號，則只需要占用4個或2個GPIO，顯然，與傳統的方式相比較，該方式可以大大節省系統的GPIO資源。

3、鍵盤的驅動模塊設計

完成接口電路的設計之后，還需要編寫相應的鍵盤驅動模塊。本文采用AT91RM9200芯片中已經運行了ARM-Linux操作系統，因此給鍵盤的驅動程序開發提供了很大的方便。鍵盤的驅動模塊可分為硬件初始化、文件操作函數的實現以及鍵盤掃描程序三個部分。

3.1 硬件初始化

鍵盤驅動程序的開發模式與Linux系統中一般字符設備的驅動開發步驟相似，關于Linux設備驅動開發的詳細分析可參考文獻[1]。首先需完成的是驅動程序模塊的初始化函數和清除函數。在初始化函數中，除完成模塊注冊外，還應進行硬件初始化，下面是本文根據AT91RM9200芯片的GPIO控制器的特性[2]，在模塊的初始化函數中的硬件初始化的偽代碼。
……
設置所使用GPIO端口為GPIO控制器控制
設置所使用GPIO端口的類型為輸入
使能所使用GPIO端口的輸入毛刺濾波功能
使能相應的GPIO控制器時鐘
取指定地址的虛擬地址并向地址寫入數據0x0
……

3.2 文件操作函數的實現

因為鍵盤在系統中一般只起輸入作用，因此在鍵盤驅動程序的file_operations結構中，必須實現的文件操作函數只有文件讀函數。

另外在實際應用中，為防止鍵盤按鍵的丟失，被按下鍵的掃描代碼通常都放置在一個緩沖區內，直到應用程序準備處理一個按鍵為止。緩沖區大小一般視應用系統的需求而定，本例中緩沖區大小取為20個按鍵代碼。而緩沖區的實現是以一個環形隊列的形式實現。當按鍵按下后，掃描代碼將被放置在隊列的下一個空位置，若緩沖區已滿，則下一按鍵將會被丟棄。應用程序則通過鍵盤的讀函數read()從緩沖區的位置指針處起，讀取所需個數的鍵碼；完成讀取操作后，還需將已被讀取的鍵碼從緩沖隊列中刪除，并更新緩沖區的位置指針。下面給出了本例中，實現的鍵盤讀函數key_read()的偽代碼：
ssize_t key_read(……)
{
定義并初始化變量；
if 緩沖區中可被讀取的鍵碼數大于0；
取得鍵碼放置緩沖區的自旋鎖；
計算此次讀操作可讀取的代碼個數M（緩沖區中可讀取的代碼個數與程序要求個數之間的較小者）；
從緩沖區位置指針開始，從緩沖區中拷貝M個的鍵碼到用戶空間緩沖區內；
更新緩沖區的位置指針和緩沖區中還剩余的鍵碼個數；
釋放自旋鎖
返回此次讀操作成功讀取的代碼個數。
Else
返回-1
}