基于A(yíng)RM9的多行列鍵盤(pán)設計及其驅動(dòng)實(shí)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(pán)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(pán)是不可行的，一般都需要根據嵌入式系統的實(shí)際功能來(lái)設計所需的特殊鍵盤(pán)，并實(shí)現相應的驅動(dòng)程序。

在嵌入式設備上擴展鍵盤(pán)的常用方式是通過(guò)使用CPU的GPIO端口掃描實(shí)現的，顯然，這種方式會(huì )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(gè)問(wèn)題就特別突出。當然，也可以通過(guò)外擴GPIO（如8255等）或外擴專(zhuān)用的鍵盤(pán)接口（如8279等）方式實(shí)現，但這種方式顯然增加了系統的復雜度，在實(shí)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(shí)現一個(gè)POS機鍵盤(pán)（8×8）為例，呈現了一種在嵌入式設備上擴展多行列鍵盤(pán)的新設計思路，并在A(yíng)RM-Linux系統實(shí)現了鍵盤(pán)的驅動(dòng)程序。

2、接口電路的硬件設計

本文通過(guò)一個(gè)設計實(shí)例，說(shuō)明如何使用一種比較簡(jiǎn)單的方式，來(lái)實(shí)現一個(gè)8×8的POS機矩陣鍵盤(pán)，POS機所采用的微處理器是AT91RM9200芯片。AT91RM9200是ATMEL公司生產(chǎn)的一款高性能的32位ARM9處理器，它是一款通用工業(yè)級ARM芯片，在工業(yè)控制、智能儀器儀表等領(lǐng)域內得到了大量的應用[3,4]，其詳細芯片特性可參見(jiàn)文獻[2]。

在A(yíng)T91RM9200上擴展鍵盤(pán)，一般都是通過(guò)其GPIO端口來(lái)實(shí)現。AT91RM9200雖提供了4×32個(gè)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(xiàn)、數據線(xiàn)進(jìn)行復用的，所以實(shí)際可用于擴展的GPIO端口是很少的。而對于一個(gè) 8×8鍵盤(pán)，若采用傳統的GPIO端口擴展方式，則需要16個(gè)GPIO，這在一個(gè)比較復雜的POS系統中是很難滿(mǎn)足的，因此需要采用其他方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

圖1 鍵盤(pán)接口原理圖

本文通過(guò)數據鎖存的方式，充分利用32位處理器的數據寬度優(yōu)勢，使用數據線(xiàn)來(lái)替代鍵盤(pán)擴展所需的GPIO端口，從而減少對系統GPIO資源的占用。鍵盤(pán)接口的實(shí)現原理如圖1所示。在圖1所示的電路中，U1301（74LVCC4245）為三態(tài)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(xiě)數據時(shí)，nKey_CS信號為低電平，數據可以通過(guò)U1301，同時(shí)，nKey_CS信號經(jīng)兩級反相器延時(shí)后作為鎖存信號將數據鎖存到U1302的輸出端，作為鍵盤(pán)的行掃描信號，而鍵盤(pán)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(shí)檢測連接在GPIO的列信號，即可實(shí)現對鍵盤(pán)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(shí)現8×8矩陣鍵盤(pán)掃描的情況下，僅需要占用8個(gè)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(gè)或2個(gè)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(pán)的驅動(dòng)模塊設計

完成接口電路的設計之后，還需要編寫(xiě)相應的鍵盤(pán)驅動(dòng)模塊。本文采用AT91RM9200芯片中已經(jīng)運行了ARM-Linux操作系統，因此給鍵盤(pán)的驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)提供了很大的方便。鍵盤(pán)的驅動(dòng)模塊可分為硬件初始化、文件操作函數的實(shí)現以及鍵盤(pán)掃描程序三個(gè)部分。

3.1 硬件初始化

鍵盤(pán)驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)模式與Linux系統中一般字符設備的驅動(dòng)開(kāi)發(fā)步驟相似，關(guān)于Linux設備驅動(dòng)開(kāi)發(fā)的詳細分析可參考文獻[1]。首先需完成的是驅動(dòng)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(jìn)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(lèi)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(shí)鐘
取指定地址的虛擬地址并向地址寫(xiě)入數據0x0
……

3.2 文件操作函數的實(shí)現

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

另外在實(shí)際應用中，為防止鍵盤(pán)按鍵的丟失，被按下鍵的掃描代碼通常都放置在一個(gè)緩沖區內，直到應用程序準備處理一個(gè)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(gè)按鍵代碼。而緩沖區的實(shí)現是以一個(gè)環(huán)形隊列的形式實(shí)現。當按鍵按下后，掃描代碼將被放置在隊列的下一個(gè)空位置，若緩沖區已滿(mǎn)，則下一按鍵將會(huì )被丟棄。應用程序則通過(guò)鍵盤(pán)的讀函數read()從緩沖區的位置指針處起，讀取所需個(gè)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(shí)現的鍵盤(pán)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(gè)數M（緩沖區中可讀取的代碼個(gè)數與程序要求個(gè)數之間的較小者）；
從緩沖區位置指針開(kāi)始，從緩沖區中拷貝M個(gè)的鍵碼到用戶(hù)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(gè)數；
釋放自旋鎖
返回此次讀操作成功讀取的代碼個(gè)數。
Else
返回-1
}