ARM矩陣鍵盤(pán)設計及其linux驅動(dòng)實(shí)現

　　在嵌入式系統開(kāi)發(fā)中，經(jīng)常通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)實(shí)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(pán)的方法。同時(shí)以TQ2440開(kāi)發(fā)板為例，對硬件電路連接和相應的linux驅動(dòng)設計方法都作了詳細說(shuō)明。

　　1.引言

　　ARM微處理器已廣泛應用于工業(yè)控制、消費類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系統等領(lǐng)域。矩陣鍵盤(pán)是一種常用的鍵盤(pán)形式，它將按鍵設計成M行N列，這樣共需M+N根信號線(xiàn)，卻可驅動(dòng)M×N個(gè)按鍵，大大節約了I/O資源。本文介紹了一種利用TQ2440開(kāi)發(fā)板的GPIO口擴展5×4矩陣鍵盤(pán)的方法，并將所有按鍵重新布局成手持終端的鍵盤(pán)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(pán)，如圖1所示。其中行線(xiàn)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(shí)不會(huì )觸發(fā)中斷。列線(xiàn)COL1-COL4連接S3C2440的普通I/O口GPF3，GPF4，GPG7，GPG10.這里需要注意的問(wèn)題是：確保行線(xiàn)所用的中斷在Linux的其他設備中均未使用到，否則會(huì )引起該驅動(dòng)程序或其他驅動(dòng)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(pán)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(kāi)關(guān)機功能（長(cháng)按），此功能將在驅動(dòng)程序中實(shí)現。

　　3.矩陣鍵盤(pán)的Linux驅動(dòng)程序設計

　　3.1 鍵盤(pán)驅動(dòng)總體概述

　　驅動(dòng)程序是操作系統內核和硬件設備之間的接口。設備驅動(dòng)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(dòng)程序沒(méi)有main函數，它以一個(gè)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(dòng)程序是linux內核的一部分，所以在程序編寫(xiě)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(chēng)

　　矩陣鍵盤(pán)是作為L(cháng)inux的一個(gè)字符設備注冊到系統中的。我們首先向系統注冊矩陣鍵盤(pán)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(dòng)程序設計的主體內容，這些函數實(shí)際會(huì )在應用程序進(jìn)行Linux的open（）、write（）、read（）、close（）等系統調用時(shí)最終被調用[3].用戶(hù)對鍵盤(pán)沒(méi)有寫(xiě)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(kāi)鍵盤(pán)時(shí)（即open（）函數中）實(shí)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(guān)鍵語(yǔ)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(fā)。然后再進(jìn)行行列初始化：設置行線(xiàn)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(xiàn)為輸出，置低電平。語(yǔ)句表達同理，由于篇幅所限，這里不再一一列出。

　　read（）函數實(shí)現從設備中讀取數據。該函數實(shí)現無(wú)按鍵按下時(shí)程序進(jìn)入休眠，關(guān)鍵代碼：

　　static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD（button_waitq）； //生成一個(gè)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(shí)執行語(yǔ)句：wait_event_interruptible（button_waitq，ev_press），程序即進(jìn)入休眠。ev_press為1時(shí)把數據從內核空間復制到用戶(hù)空間，關(guān)鍵語(yǔ)句：

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

　　close（）函數實(shí)現關(guān)閉矩陣鍵盤(pán)設備，釋放已注冊的中斷，關(guān)鍵語(yǔ)句：free_irq（button_irqs[i].irq，（void *）&button_irqs[i]）。

　　Poll（）函數實(shí)現輪詢(xún)，如果沒(méi)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(huì )立刻返回。

　　3.2 中斷處理及鍵盤(pán)掃描程序

　　中斷處理函數的名稱(chēng)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(shí)，該鍵所在行列導通。列的低電平將該行電平拉低，進(jìn)而觸發(fā)中斷。然后，進(jìn)入中斷處理函數。由于按鍵存在抖動(dòng)的問(wèn)題，單靠一次中斷的觸發(fā)就判定有按鍵按下是不可靠的，所以采用定時(shí)器延時(shí)10ms后再進(jìn)入鍵盤(pán)掃描函數。

　　本設計的鍵盤(pán)掃描程序采用先確定行再確定列的方法，最后對行列進(jìn)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(shí)，才會(huì )使該行再次為低電平，從而確定列（column）。再對行列進(jìn)行運算：k=row*4+column，則將矩陣鍵盤(pán)的每一鍵對應為鍵號0-19.鍵盤(pán)布局為圖2所示形式后，我們只取矩陣鍵盤(pán)的前18鍵（鍵號0-17），鍵值保存為k+1.對于Ent鍵，通過(guò)按下的時(shí)間長(cháng)短區分是確定功能還是開(kāi)關(guān)機功能，按下時(shí)間小于0.5秒為確認功能，按下時(shí)間大于1.6秒為開(kāi)關(guān)機功能，時(shí)間在0.5秒-1.6秒的視為無(wú)效操作。計時(shí)方法為：

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

　　開(kāi)關(guān)機功能保存為第18鍵號，鍵值19.

　　4.驅動(dòng)程序的測試

　　測試程序屬于上層應用程序，直接調用鍵盤(pán)驅動(dòng)程序提供的接口即可實(shí)現度鍵盤(pán)的操作。我們調用open（）函數實(shí)現矩陣鍵盤(pán)設備的打開(kāi)，再調用read（）函數即可將鍵盤(pán)數據讀取出來(lái)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(lái)。

　　功運用到筆者的項目中，鍵盤(pán)輸入的正確率和反應時(shí)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(pán)的方法，它無(wú)需增加其它接口元器件，設計快速實(shí)用，并實(shí)現了在Linux系統下的驅動(dòng)，為ARM嵌入式設備擴展手持終端式鍵盤(pán)提供了一種解決方案。