ARM矩陣鍵盤設計及其linux驅動實現

　　在嵌入式系統開發中，經常通過鍵盤來實現人機交互。本文介紹了一種直接利用ARM的I/O口擴展矩陣鍵盤的方法。同時以TQ2440開發板為例，對硬件電路連接和相應的linux驅動設計方法都作了詳細說明。

　　1.引言

　　ARM微處理器已廣泛應用于工業控制、消費類電子產品、通信系統等領域。矩陣鍵盤是一種常用的鍵盤形式，它將按鍵設計成M行N列，這樣共需M+N根信號線，卻可驅動M×N個按鍵，大大節約了I/O資源。本文介紹了一種利用TQ2440開發板的GPIO口擴展5×4矩陣鍵盤的方法，并將所有按鍵重新布局成手持終端的鍵盤形式，方便操作。

　　2.硬件設計

　　本設計擴展5行4列的矩陣鍵盤，如圖1所示。其中行線ROW1-ROW5連接S3C2440的中斷引腳EINT8，EINT9，EINT11，EINT13，EINT14[1].這些中斷引腳本身連有10kΩ的上拉電阻，把中斷引腳電平拉高，確保按鍵空閑時不會觸發中斷。列線COL1-COL4連接S3C2440的普通I/O口GPF3，GPF4，GPG7，GPG10.這里需要注意的問題是：確保行線所用的中斷在Linux的其他設備中均未使用到，否則會引起該驅動程序或其他驅動程序初始化失敗。

　　考慮到手持終端設備按鍵的常用性與操作的方便性，只取矩陣鍵盤的前18鍵，并將它們重新布局為圖2的形式。其中Ent鍵具有二重功能，即確認功能（短按）和開關機功能（長按），此功能將在驅動程序中實現。

　　3.矩陣鍵盤的Linux驅動程序設計

　　3.1 鍵盤驅動總體概述

　　驅動程序是操作系統內核和硬件設備之間的接口。設備驅動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節，使應用程序可以像操作普通文件一樣操作硬件設備[2].驅動程序沒有main函數，它以一個模塊初始化函數作為入口，并且它完成初始化之后不再運行，等待系統調用。

　　驅動程序是linux內核的一部分，所以在程序編寫上要采用linux的表達方式。首先將列I/O端口定義為數組：col_table [] ={ S3C2410_GPF3，S3C2410_GPF4， …}，行I/O端口定義為結構型：

　　button_irqs [] ={ {IRQ_EINT8，S3C2410_GPG0，S3C2410_GPG0_EINT8， 0，“R1″}，

　　{IRQ_EINT9，S3C2410_GPG1，S3C2410_GPG1_EINT9， 1，”R2″}，

　　…}.//中斷號（irq），引腳（pin），引腳設置，序號，名稱

　　矩陣鍵盤是作為Linux的一個字符設備注冊到系統中的。我們首先向系統注冊矩陣鍵盤設備，包括設備號，設備名及file_operations結構體；file_operations結構體的成員函數是字符設備驅動程序設計的主體內容，這些函數實際會在應用程序進行Linux的open（）、write（）、read（）、close（）等系統調用時最終被調用[3].用戶對鍵盤沒有寫操作，其file_operations結構體的成員函數為open（）、read（）、close（）、poll（）。

　　中斷的注冊和行列初始化在打開鍵盤時（即open（）函數中）實現。注冊中斷包括：中斷號，中斷入口程序，中斷方式，中斷名和代號。關鍵語句為：request_irq（button_irqs[i].irq，buttons_interrupt，IRQ_TYPE_EDGE_FALLING，button_irqs[i].name，（void*）&button_irqs[i]）。IRQ_TYPE_EDGE_FALLING意思為下降沿觸發。然后再進行行列初始化：設置行線為中斷，使能上拉，在linux中其表達方式為：

　　s3c2410_gpio_cfgpin（button_irqs[i].

　　pin，S3C2410_GPIO_SFN2）； //設置第i行引腳為中斷

　　s3c2410_gpio_pullup（button_irqs[i].

　　pin，1）； //第i行引腳上拉

　　設置列線為輸出，置低電平。語句表達同理，由于篇幅所限，這里不再一一列出。

　　read（）函數實現從設備中讀取數據。該函數實現無按鍵按下時程序進入休眠，關鍵代碼：

　　static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD（button_waitq）； //生成一個等待隊列頭隊列，名為button_waitq

　　static volatile int ev_press = 0；//置1，表示有鍵按下

　　ev_press為0時執行語句：wait_event_interruptible（button_waitq，ev_press），程序即進入休眠。ev_press為1時把數據從內核空間復制到用戶空間，關鍵語句：

　　copy_to_user（buff，（const void *）key_values，min（sizeof（key_values），count））；//buff為用戶空間的指針，key_values為內核空間指針，最后一個參數為從內核空間向用戶空間拷貝數據的字節數，我們取實際大小與用戶指定大小中的最小值。數據復制成功時返回零；出錯時返回沒有復制成功的數據字節數。

　　close（）函數實現關閉矩陣鍵盤設備，釋放已注冊的中斷，關鍵語句：free_irq（button_irqs[i].irq，（void *）&button_irqs[i]）。

　　Poll（）函數實現輪詢，如果沒有按鍵數據，調用linux的poll_wait函數等待；如果有按鍵數據，則select函數會立刻返回。

　　3.2 中斷處理及鍵盤掃描程序

　　中斷處理函數的名稱為上面注冊的buttons_interrupt.具體程序流程如圖3所示。當有按鍵按下時，該鍵所在行列導通。列的低電平將該行電平拉低，進而觸發中斷。然后，進入中斷處理函數。由于按鍵存在抖動的問題，單靠一次中斷的觸發就判定有按鍵按下是不可靠的，所以采用定時器延時10ms后再進入鍵盤掃描函數。

　　本設計的鍵盤掃描程序采用先確定行再確定列的方法，最后對行列進行一定的運算即得鍵值。首先確定行：逐行掃描，判斷是否有行引腳為低電平。若有，保存該行值（row）。繼續確定列：逐列置低電平，當該列為按下所在列時，才會使該行再次為低電平，從而確定列（column）。再對行列進行運算：k=row*4+column，則將矩陣鍵盤的每一鍵對應為鍵號0-19.鍵盤布局為圖2所示形式后，我們只取矩陣鍵盤的前18鍵（鍵號0-17），鍵值保存為k+1.對于Ent鍵，通過按下的時間長短區分是確定功能還是開關機功能，按下時間小于0.5秒為確認功能，按下時間大于1.6秒為開關機功能，時間在0.5秒-1.6秒的視為無效操作。計時方法為：

　　若該行仍為低電平且整數cnt小于1700：延時1ms，cnt++；根據cnt值即得按下時間。

　　開關機功能保存為第18鍵號，鍵值19.

　　4.驅動程序的測試

　　測試程序屬于上層應用程序，直接調用鍵盤驅動程序提供的接口即可實現度鍵盤的操作。我們調用open（）函數實現矩陣鍵盤設備的打開，再調用read（）函數即可將鍵盤數據讀取出來并保存到自己定義的數組中，最后使用printf（）函數將測試結果顯示出來。

　　功運用到筆者的項目中，鍵盤輸入的正確率和反應時間均符合設計要求。

　　5.總結

　　本文介紹了一種直接從ARM的I/O口擴展矩陣鍵盤的方法，它無需增加其它接口元器件，設計快速實用，并實現了在Linux系統下的驅動，為ARM嵌入式設備擴展手持終端式鍵盤提供了一種解決方案。