摘  要: 对用于单片机的键盘子系统" title="键盘子系统">键盘子系统的专用键盘接口芯片" title="接口芯片">接口芯片进行功能分析,就芯片中核心部件的时序设计进行状态描述,并利用可编程逻辑技术和原理图输入方式对键盘接口" title="键盘接口">键盘接口芯片的内部结构加以实现。 

    关键词: 键盘子系统  专用键盘接口  CPLD  状态描述 

    在单片机应用系统中,存在多种形式的外部数据输入接口界面,例如RS-232C串行通信、键盘输入等^[1,4]。其中利用键盘接口输入数据,是实现现场实时调试、数据调整和控制最常用的方法。单片机的外围键盘扩展电路有多种实现方式,例如直接利用I/O接口线或外接8255A接口芯片,配合适当的接口管理程序,就可以实现外围键盘扩展功能。但是,在这些方法中,键盘扩展电路需要占用单片机的资源对按键进行监控和处理,这对要求高实时性处理的单片机系统是不现实的。为了解决这一问题,可以使用专用键盘接口芯片(例如Intel8279)^[2]来组建键盘子系统。然而,这类专用键盘接口芯片在使用灵活性方面尚有欠缺,尤其当用户需要实现某些特定功能时,其缺点更为明显。针对上述问题,本文提出一种利用复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)设计技术^[3]实现专用键盘接口芯片的方案。 

1 系统原理 

    图1是单片机系统中键盘子系统的构成原理框图。其中键盘接口芯片KB-CORE是该子系统的核心部分,它应具备如下功能:第一,产生按键扫描时序,并进行硬件去抖动" title="去抖动">去抖动。如果有按键按下,实现按键编码、中断处理等功能。第二,可以区分处理数字键和功能键。数字键将由接口芯片暂存,而当功能键被按下时申请CPU中断处理;对多个按键同时按下,按一定的编码优先级处理。第三,提供与MCS-51系列单片机兼容的接口,单片机可以读取芯片中保存的数据或功能代码。第四,提供数据显示接口,可以直接驱动4位七段LED数码管,并进行动态扫描显示。 

    按键根据键盘子系统的服务对象拟设置了数字键(0～9)、功能键(ROW、COL、DAT)、清零键(CLR)共14个,排成4×4的矩阵,有两个未定义。 

2 专用键盘接口芯片功能结构设计 

    根据上述专用键盘芯片KB-CORE的功能要求,图2示出本芯片内部应有的结构框图。其工作原理如下:(1)键盘扫描" title="键盘扫描">键盘扫描控制及编码电路中内含一个环形计数器。该计数器计数输出至KSL[0～3]端作为键盘扫描信号。每当扫描信号发生变化时,键盘扫描控制器从KRL[0～3]端读入某一行按键的状态信号。如果没有按键被按下,则扫描下一行;如果有按键被按下,则控制器锁定被扫描行,并延迟约10ms去抖动,然后再次扫描被锁定行以确定按键是否误读。如果按键被证实按下,则一直等待直至用户松开该键。与此同时,数字键码将被保存到先进先出存储器,功能键则直接产生中断请求信号IRQ,通知CPU读取键码DBO[0～7]。(2)FIFO RAM中数据容量为16位。每4位对应一个字形符,所以七段LED数码管需要4位。(3)扫描发生器一方面产生LED的位选信号DSL[0～3],另一方面产生扫描显示输出控制电路的位数据选通信号。扫描显示输出控制电路根据位数据选通信号读取FIFO RAM中相对应的数据,然后送七段译码电路输出DP[0～6]驱动LED显示屏的段选信号电极。(4)接口控制电路一方面用来识别CPU的读时序;另一方面用来对地址信号线A₁A₀译码,实现对输出数据的选择。若A₀A₁=“00”,则输出FIFO RAM中的低字节数据;若A₀A₁=“01”,则输出FIFO RAM中的高字节数据;若A₀A₁=“10”,则输出控制数据(表明ROW、COL、DAT中哪一个被按下);若A₀A₁=“11”,则不输出FIFO RAM中的任何数据。 

3 专用键盘接口芯片核心部分的状态描述与实现 

    为了实现上述专用键盘接口芯片功能结构,利用可编程逻辑技术对各个功能块进行逻辑时序描述和实现。由于键盘扫描控制和去抖的逻辑时序设计较复杂并具典型性,因此下面将对键盘扫描控制和去抖部分的设计思想进行介绍。 

    键盘扫描时序的基本原理^[4]可以用图3所示的状态图表示。状态图的输入变量为RST(复位)、KEY-PRESS(有按键)、TIMER-OVER(去抖动延时结束);输出变量包括EN-SCAN(扫描行转移)、EN-CODED(键盘编码启动)、START-TIMER(开启去抖动延时)。从图3中知道,状态S₀→S₁→S₂为按键扫描状态链,状态S₃→S₄→S₅为去抖延时状态链,状态S₆为按键保持期。当按键被按下时,进入启动(S₃)去抖延时状态链;去抖延时结束后(S₅),若按键没有按下则恢复扫描状态链(S₀);若按键确认被按下则进入保持期(S₆),并输出按键编码,维持至按键松开。 

    根据状态图3和上述的状态转移描述,进行键盘扫描控制电路的设计,结果如图4所示。其中H3是6位循环移位寄存器,由时钟CLK触发实现状态移位。移位寄存器的输出Q₀～Q₅分别代表键盘扫描控制电路的状态S₀～S₆,当然它们并非一一对应,但实现的功能相同。值得一提的是,如果专用键盘芯片KB-CORE的外部时钟CLK来自单片机的ALE信号(如图1所示),当单片机时钟为6MHz时,则专用键盘芯片KB-CORE的外接时钟为1MHz的方波信号,信号周期为1μs。如果将该时钟信号经过一个分频器,使其输出的信号周期约为T_clk=1μs×2¹²≈4ms,然后再作为H3的时钟信号。这意味着键盘扫描控制电路约4ms扫描一行按键。如果H3中的Q2态没有被使用,则可以实现约8ms的去抖动延时。通过这样的设计,可以免除延时计数器,简化电路。 

4 专用键盘接口芯片的实现 

    根据实时数据校正系统的设计要求,使用了34个自定义I/O引脚和PC44封装的CPLD来实现专用键盘接口芯片KB-CORE。芯片型号的选择依据综合所需要的宏单元(Macrocells)个数决定。如果借助硬件描述语言VHDL[5]对上述设计进行描述,综合结果需要约140个宏单元;如果改用原理图输入方式,则只需约60个宏单元。因此选用XC9572芯片可以满足上述专用键盘接口芯片KB-CORE的要求。实际使用如图1和图2所示,操作结果表明键盘接口芯片性能稳定。 

参考文献 

1 胡汉才.单片机原理及其接口技术,北京:清华大学出版社 

2 沈红卫.键盘/显示管理芯片8279的应用技巧.微计算机信息,1998;14(2) 

3 朱明程.XILINX数字系统现场集成技术.南京:东南大学出版社,2001 

4 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计——系统配置与接口技术. 北京:北京航空航天大学出版社,1999 

5 潘 松,王国栋.VHDL实用教程.成都:电子科技大学出版社