摘要： 為了在不增加CPU 工作負(fù)擔(dān)的前提下，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)鍵盤和矩陣鍵盤雙鍵盤同時(shí)工作，提出了一種基于復(fù)雜可編邏輯器件（CPLD）的矩陣鍵盤掃描方案，實(shí)現(xiàn)了在矩陣鍵盤狀態(tài)控制下CPLD 自動(dòng)完成鍵盤掃描、編碼、輸出的功能，CPU 通過(guò)定時(shí)器中斷服務(wù)程序定時(shí)查詢矩陣鍵盤狀態(tài)，并將按鍵值直接送入鍵盤緩沖區(qū)，供其他程序使用。
給出了CPLD 部分模塊的VHDL 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)和仿真波形。在矩陣鍵盤的掃描、編碼、輸出完全不需CPU 控制的前提下，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)鍵盤和矩陣鍵盤雙鍵盤同時(shí)使用。
在基于PC104 的便攜式野外測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)中，鍵盤是常用的輸入設(shè)備。對(duì)于便攜式設(shè)備野外工作時(shí)，一般使用小型（4×4）矩陣鍵盤就能滿足設(shè)備的信息輸入需要； 室內(nèi)調(diào)試時(shí)， 使用標(biāo)準(zhǔn)PS2 鍵盤更方便、靈活。一般的做法是保留PC104 的鍵盤接口用于接標(biāo)準(zhǔn)鍵盤， 利用擴(kuò)展I/O接口完成小矩陣鍵盤的掃描和輸入。這樣做雖然可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備雙鍵盤同時(shí)工作的功能， 卻需耗費(fèi)大量的CPU 處理時(shí)間掃描矩陣鍵盤， 造成CPU 處理其他信息的能力下降。而本文設(shè)計(jì)的基于CPLD 的矩陣鍵盤掃描模塊能夠很好地解決上述問(wèn)題。
1 矩陣鍵盤掃描原理
圖1 給出了4×4 矩陣鍵盤的電路圖， 在圖1 中KX[3..0]為掃描碼輸入，KY[3..0]為掃描碼輸出。鍵盤掃描開(kāi)始時(shí)，首先置KX[3..0]=“0000”；鍵盤掃描碼寄存器和鍵盤掃描碼緩存器Kreg[15..0]和Kscan[15..0]置成“1111111111111111” （ 全1為沒(méi)有鍵按下，有鍵按下時(shí)至少有一位為0），一旦有鍵按下，KY[3..0]輸出不全為“0”的掃描碼觸發(fā)鍵盤掃描功能開(kāi)始鍵盤掃描，掃描開(kāi)始后，依次將KX3、KX2、KX1、KX0 置“0”，分別將對(duì)應(yīng)的4 組KY[3..0]輸入值保存于Kscan[15..12]、Kscan[11..8] 、Kscan[7..4] 、Kscan[3..0]中，而后比較Kscan 和Kreg 的大小，如果Kscan 小于Kreg，將Kscan 保存于Kreg 中，重復(fù)上述掃描過(guò)程直到Kscan[15..0]各位輸出全為“1”時(shí)，說(shuō)明按下的鍵全部抬起，Kreg[15..0]中的每一個(gè)為“0”的位對(duì)應(yīng)一個(gè)按下的鍵，保留掃描過(guò)程中的Kreg 最小值就可以處理組合鍵。
根據(jù)記錄的Kreg 值可以判斷是哪個(gè)或哪幾個(gè)鍵按下， 據(jù)此編碼按鍵值后輸出。將KX[3..0]置為“0000”，等待下一次按鍵發(fā)生。
圖1 4×4 矩陣鍵盤電路圖。
2 基于CPLD 的4×4 矩陣鍵盤掃描模塊設(shè)計(jì)
根據(jù)上述掃描原理和工作流程，如果以PC104 CPU 實(shí)現(xiàn)上述矩陣鍵盤的掃描過(guò)程， 那么在有鍵按下后，CPU 必須不停地掃描矩陣鍵盤電路，在此期間不能進(jìn)行其他工作，降低了CPU 工作效率，且CPU 連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)增加系統(tǒng)功耗。
本文的目的就是在不需要CPU 參與的條件下以CPLD完成矩陣鍵盤按鍵事件觸發(fā)、按鍵的掃描定位以及按鍵的編碼和鍵值輸出工作，CPU 只需要定時(shí)查詢有無(wú)鍵按下并讀走按下鍵的按鍵值送入鍵盤緩沖區(qū)。這樣就使CPU 從繁重的矩陣鍵盤掃描工作中解脫出來(lái)。根據(jù)上述鍵盤掃描工作原理，基于CPLD 的4×4 矩陣鍵盤掃描模塊功能框圖如圖2 所示。
圖2 4×4 矩陣鍵盤掃描模塊CPLD 實(shí)現(xiàn)框圖。
圖中， 模塊KeyTri 在時(shí)鐘信號(hào)CLK 的控制下實(shí)現(xiàn)按鍵事件觸發(fā)和矩陣鍵盤掃描時(shí)序產(chǎn)生功能； 模塊keycode 在時(shí)鐘信號(hào)CLK 和掃描時(shí)序碼SCode 的控制下完成輸出鍵盤掃描碼KX，同時(shí)記錄16 位鍵盤掃描數(shù)據(jù)等工作，并在所有鍵抬起后對(duì)按下的鍵編碼完成輸出功能；模塊nread 實(shí)現(xiàn)按鍵碼的暫存、按鍵狀態(tài)的置位和清除以及矩陣鍵盤的使能；模塊PCPORT 完成矩陣鍵盤與CPU 的接口； 模塊OSC 與CreatClock 產(chǎn)生控制鍵盤掃描模塊工作的3 KHz 時(shí)鐘信號(hào)CLK。
2.1 鍵盤掃描觸發(fā)模塊（KeyTri）的功能與時(shí)序仿真
鍵盤掃描過(guò)程中，掃描信號(hào)不停變化，以判斷鍵盤按鍵的按下和抬起。高速變化的鍵盤掃描信號(hào)不僅使系統(tǒng)功耗增加，而且還會(huì)對(duì)其他敏感電路造成干擾。因此在本設(shè)計(jì)中將鍵盤掃描模式設(shè)計(jì)成鍵按下觸發(fā)掃描方式，只有當(dāng)鍵盤有鍵按下后，才觸發(fā)鍵盤掃描電路產(chǎn)生掃描鍵盤時(shí)序，所有鍵都放開(kāi)后，停止對(duì)鍵盤的掃描，使電路處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，以減少對(duì)其他電路的干擾。
鍵盤按下時(shí)會(huì)有抖動(dòng)，在按鍵抖動(dòng)時(shí)掃描鍵盤，可能會(huì)使鍵盤掃描電路產(chǎn)生誤判，因此在鍵盤按下與開(kāi)始掃描之間應(yīng)加入一段延時(shí)，延時(shí)結(jié)束后按鍵仍處于按下?tīng)顟B(tài)，才允許開(kāi)始鍵盤掃描，這樣做可以最大限度地避免掃描電路的誤判和漏判。
鍵盤掃描觸發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)的功能為： 在KX=“0000” 的狀態(tài)下，如果有任意一個(gè)鍵被按下，KY 必然不全為‘1’，觸發(fā)延時(shí)功能開(kāi)始延時(shí)，延時(shí)結(jié)束后，如果KY 仍不全為‘1’，說(shuō)明該按鍵事件有效， 啟動(dòng)掃描時(shí)序產(chǎn)生1H～BH 的4 位循環(huán)掃描時(shí)序碼，控制后續(xù)的鍵盤掃描電路對(duì)鍵盤掃描，當(dāng)ReSet 變低時(shí)，立即將掃描時(shí)序碼置為0H，停止本次鍵盤掃描并等待下一次鍵盤按下事件到來(lái)。鍵盤掃描觸發(fā)模塊的VHDL 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)如下：
鍵盤掃描觸發(fā)模塊的時(shí)序仿真如圖3 所示。
圖3 鍵盤掃描觸發(fā)模塊的時(shí)序仿真。
在圖3 中，①和②之間的時(shí)間為去鍵盤抖動(dòng)延時(shí)，為了方便仿真，此處把延時(shí)時(shí)間設(shè)定為4 個(gè)周期，實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)保持在20～30 ms 左右。
2.2 鍵盤掃描與編碼輸出模塊（keycode）的功能與時(shí)序仿真
所謂鍵盤掃描，就是在鍵盤的KX 端依次送入掃描碼，以便定位被按下的鍵。鍵盤編碼是對(duì)鍵盤掃描值譯碼得到按下鍵的按鍵值。
該模塊完成的功能為： 在掃描時(shí)序控制碼SCode [3..0]和CLK 的下降沿控制下依次輸出4 組掃描碼“0111”、“1011”、“1101”、“1110”掃描整個(gè)鍵盤，同時(shí)記錄鍵盤的掃描值，將記錄的4 組掃描值組合成一組16 位的鍵盤掃描值Kscan [15..0]，如果Kscan[15..0] 小于Kreg[15..0]， 將Kscan[15..0] 保存于Kreg[15..0]中，當(dāng)所有鍵放開(kāi)后，對(duì)Kreg[15..0]譯碼產(chǎn)生按鍵編碼并輸出。有一個(gè)鍵按下，16 位的鍵盤掃描值中有且只有一位為0，多鍵組合按下時(shí)，鍵盤掃描值中就會(huì)有多個(gè)位為‘0’，因此在鍵盤掃描過(guò)程中，記錄最小的鍵盤掃描值，使得掃描模塊不僅能夠處理單鍵，而且可以處理多鍵組合。具體工作過(guò)程說(shuō)明如下：
當(dāng)SCode [3..0]=0 時(shí)，KX=“0000”， 置16 位鍵盤掃描值Kscan[15..0]和Kreg[15..0]為全‘1’，此時(shí)無(wú)論哪一個(gè)鍵按下，都可使KY 不全為‘1’，從而觸發(fā)掃描模塊工作；當(dāng)SCode[3..0]=1 或2 時(shí)，KX=“0111”，此時(shí)圖1 中K12~K15 有按下的鍵時(shí)， KY 對(duì)應(yīng)位為‘0’，其他位為‘1’，記錄KY到鍵盤掃描碼寄存器的Kreg[15..12]；當(dāng)SCode[3..0]=3 或4 時(shí)，KX=“1011”，此時(shí)圖1 中K08~K11 有按下的鍵時(shí)， KY 對(duì)應(yīng)位為‘0’，其他位為‘1’，記錄KY到鍵盤掃描碼寄存器的Kreg[11..8]；當(dāng)SCode[3..0]=5 或6 時(shí)，KX=“1101”，此時(shí)圖1 中K04~K07 有按下的鍵時(shí)， KY 對(duì)應(yīng)位為‘0’，其他位為‘1’，記錄KY到鍵盤掃描碼寄存器的Kreg[7..4]；當(dāng)SCode[3..0]=7 或8 時(shí)，KX=“1110”，此時(shí)圖1 中K00～K03 有按下的鍵時(shí)， KY 對(duì)應(yīng)位為‘0’，其他位為‘1’，記錄KY到鍵盤掃描碼寄存器的Kreg[3..0]；當(dāng)SCode[3..0]=9 和10 時(shí)，如果Kscan[15..0]各位不全為“1” 且Kscan[15..0]< Kreg[15..0]， 將Kscan[15..0] 保存到Kreg[15..0]；否則對(duì)Kreg[15..0]譯碼產(chǎn)生按鍵編碼并輸出；當(dāng)SCode[3..0]=11 且記錄Kscan[15..0]各位為全“1”時(shí)，產(chǎn)生鍵盤復(fù)位信號(hào)ReSet，結(jié)束本次鍵盤掃描。
鍵盤掃描與編碼輸出模塊的核心模塊VHDL 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)如下：
鍵盤掃描與編碼輸出模塊的時(shí)序仿真圖如圖4 所示。
圖4 鍵盤掃描與編碼模塊的時(shí)序仿真。
2.3 鍵盤編碼輸出模塊（nread）的功能與時(shí)序仿真
在該模塊中，KeyData 的最高位KeyData（7）為鍵盤緩存狀態(tài)指示位，當(dāng)KeyData（7）=‘0’時(shí)，表示鍵盤緩存中沒(méi)有按鍵碼；當(dāng)KeyData（7）=‘1’時(shí)，表示鍵盤緩存中有按鍵碼等待CPU 讀取。KeyData[6..0]為按下鍵的編碼。ReSet 的下降沿用于將KeyVal[6..0]存入KeyData[6..0]，同時(shí)將KeyData（7）置成‘1’。enKeyOut 用于使能矩陣鍵盤輸出，當(dāng)enKeyOut=‘1’時(shí)，允許矩陣鍵盤輸出按鍵碼；當(dāng)enKeyOut=‘0’時(shí)，禁止矩陣鍵盤輸出按鍵碼。ClrKey 用于清除鍵盤緩存狀態(tài)指示位KeyData（7），當(dāng)ClrKey=‘0’時(shí)，置KeyData（7）為‘0’。
鍵盤編碼輸出模塊的VHDL 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)如下：
鍵盤編碼輸出模塊的時(shí)序仿真圖如圖5 所示。
圖5 鍵盤編碼輸出模塊的時(shí)序仿真。
2.4 接口模塊（PCPORT）的功能與時(shí)序仿真
該模塊用于實(shí)現(xiàn)CPU 讀入鍵盤碼以及矩陣鍵盤控制信號(hào)的輸出。開(kāi)始時(shí)，CPU 首先應(yīng)通過(guò)該模塊送出OSCEn=‘1’ 信號(hào)， 使振蕩器模塊（OSC） 和時(shí)鐘產(chǎn)生模塊（CreatClock）開(kāi)始工作，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)掃描模塊工作的時(shí)鐘信號(hào)F3kHz；接下來(lái)送出鍵盤禁止信號(hào)enKeyOut=0；禁止矩陣鍵盤在穩(wěn)定工作前隨機(jī)輸出按鍵值； 其次送出清除鍵盤緩存狀態(tài)指示位的ClrKey 信號(hào)； 最后再送出鍵盤使能信號(hào)enKeyOut=‘1’，開(kāi)始模塊掃描鍵盤工作。接口模塊的時(shí)序仿真圖如圖6 所示。
圖6 接口模塊的時(shí)序仿真。
2.5 其他模塊的功能
振蕩器模塊（OSC） 為利用Altera 公司的IP 核產(chǎn)生的MAXII 系列CPLD 內(nèi)帶的振蕩器， 用于在使能信號(hào)的控制下產(chǎn)生3.3 MHz 的時(shí)鐘輸出。
時(shí)鐘產(chǎn)生模塊（CreatClock），用于將3.3 MHz 的時(shí)鐘分頻產(chǎn)生3 KHz 的鍵盤掃描時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)整個(gè)鍵盤掃描模塊工作。
3 控制軟件的設(shè)計(jì)
本文軟件設(shè)計(jì)的基本思想是：CPU 利用定時(shí)中斷查詢矩陣鍵盤狀態(tài)并讀入矩陣鍵盤的按鍵碼，如果按鍵碼為需要立即響應(yīng)的特殊功能鍵（如熱啟動(dòng)鍵），即在中斷服務(wù)程序中作出處理，否則直接送入與標(biāo)準(zhǔn)鍵盤共用的鍵盤緩沖區(qū)，在鍵盤緩沖區(qū)與標(biāo)準(zhǔn)鍵盤送來(lái)的按鍵碼一起排隊(duì)等待CPU 響應(yīng)處理，從而實(shí)現(xiàn)雙鍵盤同時(shí)工作。在向鍵盤緩沖區(qū)寫入按鍵值時(shí)，必須使用DOS 軟中斷，否則會(huì)由于中斷優(yōu)先級(jí)的原因而使新寫入的按鍵碼得不到響應(yīng)。
矩陣鍵盤的控制軟件采用C 語(yǔ)言編制，利用PC104 的定時(shí)器中斷定時(shí)查詢矩陣鍵盤， 如果有鍵值， 將其存入PC104 的鍵盤緩沖區(qū)，等待PC104 使用。控制程序的源碼如下：
4 測(cè)試結(jié)果
本文所述的鍵盤掃描模塊已經(jīng)在多功能電法接收機(jī)中使用，在使用過(guò)程中對(duì)矩陣鍵盤的響應(yīng)時(shí)間、準(zhǔn)確度、CPU 處理時(shí)間占用、以及雙鍵盤同時(shí)工作性能等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果如下：
1）矩陣鍵盤響應(yīng)時(shí)間和準(zhǔn)確度測(cè)試，理論上計(jì)算矩陣鍵盤的最短響應(yīng)時(shí)間為T=t1+t2+t3+t4=55.9 ms（其中，t1為防抖動(dòng)延時(shí)時(shí)間30 ms; t2鍵盤掃描最短用時(shí)， 共掃描2 次用22 個(gè)F3 kHz 時(shí)鐘周期6.6 ms; t3為鍵盤值暫存時(shí)間，3 個(gè)F3kHz 時(shí)鐘周期1 ms； t4為查詢鍵盤中斷間隔18.3 ms）， 考慮到操作鍵盤的速度， 測(cè)試方法為全部16 個(gè)鍵以3 次/s 的速度連續(xù)按6 次，間隔5 s 換一個(gè)鍵，將鍵值輸出到顯示器觀察輸入情況，測(cè)試結(jié)果為：總按鍵數(shù)：96；顯示按鍵數(shù)：96；漏判按鍵數(shù)：0；錯(cuò)判按鍵數(shù)：0；準(zhǔn)確率：100%。
2）矩陣鍵盤占用CPU 時(shí)間分析，通過(guò)對(duì)矩陣鍵盤按鍵值的讀入程序分析可知， 當(dāng)允許矩陣鍵盤輸出且有鍵按下時(shí)，每次中斷服務(wù)程序需要額外執(zhí)行8 條語(yǔ)句， 大約用時(shí)4 μs；當(dāng)允許矩陣鍵盤輸出且沒(méi)有鍵按下時(shí)，每次中斷服務(wù)程序需要額外執(zhí)行3 條語(yǔ)句，大約用時(shí)1.5 μs；與CPU 完成矩陣鍵盤掃描工作（假設(shè)從鍵按下到釋放一般用時(shí)300 ms）相比，一次按鍵讀入CPU 占用時(shí)間節(jié)省99.998%。
3）雙鍵盤同時(shí)工作測(cè)試，測(cè)試方法將矩陣鍵盤和標(biāo)準(zhǔn)鍵盤同時(shí)接入系統(tǒng)， 按1 次/s 的速度交替按兩鍵盤的按鍵100個(gè)，在顯示器上觀察按鍵輸出情況，得出雙鍵盤工作可靠性數(shù)據(jù)如下: 總按鍵數(shù)：200；顯示按鍵數(shù)200；漏判按鍵數(shù)：0；錯(cuò)判按鍵數(shù)：0；準(zhǔn)確率：100%。因此，該模塊可以實(shí)現(xiàn)雙鍵盤同時(shí)工作。
5 結(jié)論
該模塊經(jīng)過(guò)測(cè)試和使用，得出如下結(jié)論：1）基于CPLD 的矩陣鍵盤掃描模塊占用CPU 時(shí)間很少；2）可以實(shí)現(xiàn)雙鍵盤同時(shí)工作；3）誤判、漏判率低；4）反應(yīng)速度快，能夠處理組合鍵。
測(cè)試結(jié)果表明，該方案滿足設(shè)計(jì)要求。該模塊以按鍵的放開(kāi)控制按鍵編碼輸出，因此在鍵按下一段時(shí)間后到釋放按鍵之前不能按一定的間隔連續(xù)輸出按下鍵的鍵值，矩陣鍵盤沒(méi)有連續(xù)按鍵輸出功能。鍵盤碼的讀入采用PC104 定時(shí)器中斷（18.3 ms 一次）定時(shí)查詢的方式實(shí)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下都不會(huì)查詢到按鍵事件發(fā)生，也就是說(shuō)矩陣鍵盤占用的比較少的CPU 處理時(shí)間中絕大部分被白白浪費(fèi)。如果能夠修改接口模塊實(shí)現(xiàn)更靈活的按鍵外中斷觸發(fā)方式讀入鍵值，還可以節(jié)省更多的時(shí)間。