基于CPLD的QWERTY鍵盤(pán)設計

隨著(zhù)手機及其他便攜手持裝置的功能不斷增加，設計的取舍平衡亦日趨精細。文本信息與網(wǎng)絡(luò )瀏覽等流行功能都要求更多的數據輸入，而這對于傳統的雙音多頻 (DTMF) (0-9, #, *) 鍵盤(pán)會(huì )比較困難。使用這種鍵盤(pán)要求多端數據輸入，輸入效率低而且容易出錯。

圖 1 – QWERTY 鍵盤(pán)（摩托羅拉 A630）

使文本輸入更為方便的一個(gè)方法是使用 QWERTY 鍵盤(pán)（見(jiàn)圖 1）。這種鍵盤(pán)采用 40 個(gè)或更多按鍵，而 DTMF 手機通常采用 12 個(gè)。當然，多出的按鍵會(huì )使手機體積變大，用到的電子組件也更多。

然而，文本信息用戶(hù)可能樂(lè )意以體積換取 QWERTY 鍵盤(pán)，因為文本輸入大為簡(jiǎn)便了，而且兩個(gè)大拇指都可以用來(lái)輸入文本信息或數據。最近，有些手機生產(chǎn)商已經(jīng)推出了面向文本用戶(hù)的帶 QWERTY 鍵盤(pán)的手機。

數據輸入鍵盤(pán)可以用多種方法來(lái)設計，并無(wú)一定之規。為傳統 DTMF 鍵盤(pán)添加更多按鍵對設計人員提出了挑戰，本文即討論應對這挑戰的一種可能解決方案。

QWERTY 構建模塊

我們的解決方案使用 Xilinx® CoolRunner™-II CPLD target=_blank>CPLD；低功耗、小包裝及低成本的特點(diǎn)使其成為此應用的理想選擇。

將 DTMF 轉化為 QWERTY 鍵盤(pán)需要更多按鍵，從而需要更多通用 I/O (GPIO target=_blank>GPIO)。例如，DTMF 鍵盤(pán)可能只有四行三列，而 QWERTY 鍵盤(pán)可能有多至八行八列。不過(guò)，鍵盤(pán)的大小可根據終端系統的需求而定。

通常，將處理器或 DSP 用作連接鍵盤(pán)行和列的界面（見(jiàn)圖 2）。處理器對行進(jìn)行掃描，對列進(jìn)行監控，以檢測邏輯變化。當變化發(fā)生，即表示用戶(hù)按下了一個(gè)按鍵。知道被掃描的是哪一行，以及哪一列的狀態(tài)發(fā)生了變化，處理器即可推斷出按下的是哪個(gè)按鍵。

擴展 I/O

設計需要更多 I/O 的鍵盤(pán)時(shí)（QWERTY 鍵盤(pán)即為一例），可能會(huì )發(fā)現現有處理器沒(méi)有足夠的 GPIO。一種可能的解決方法是，把一個(gè) CPLD 用作 I/O 擴展器，從而減少對處理器 I/O 數量的要求。

圖 3 在處理器與鍵盤(pán)之間使用了一個(gè) CPLD，其一側連接鍵盤(pán)的行/列，另一側連接處理器的可用 GPIO。此例中，使用一個(gè) CPLD 后，一個(gè) 8 x 8 的鍵盤(pán)所需要的處理器 GPIO 端口的數目與 4 x 4 的鍵盤(pán)相同（實(shí)際上還少一個(gè)）。如果不使用 CPLD，處理器會(huì )需要 16 個(gè) GPIO 端口，而不是 7 個(gè)。

掃描與編碼

除了減少處理器對 GPIO 的數量要求外，CPLD 還可以承擔處理器的某些功能，如：對行進(jìn)行掃描并對列進(jìn)行監控以檢測狀態(tài)變化。當用戶(hù)按鍵時(shí)，CPLD 會(huì )停止掃描，并立即生成一個(gè)編碼字，然后發(fā)送給處理器，告訴處理器哪個(gè)鍵按下了。因為使用了編碼字來(lái)告知處理器按下了哪個(gè)按鍵，對處理器的 I/O 需求得以減輕。

圖 3 – 使用 CoolRunner-II CPLD 擴展 GPIO

在圖 3 所示例子中，用 6 個(gè)位來(lái)代表編碼字。6 個(gè)位提供 26（即 64）個(gè)不同的值，每個(gè)值代表一個(gè)按鍵。然而，還必須有一個(gè)值代表無(wú)按鍵被按時(shí)的狀態(tài)。因此，在此例中，在不添加又一個(gè) GPIO 的情況下，實(shí)際上只有 63 個(gè)按鍵可被代表。
處理器無(wú)需掃描鍵盤(pán)，因為這一操作現由 CPLD 執行；不過(guò)，處理器仍需監控其 GPIO 上的變化 – 它只是不再需要推斷哪個(gè)按鍵被按，因為該信息編碼到一個(gè)六位字中了。

還需要用到的是開(kāi)關(guān)抖動(dòng)，這可以安排在 CPLD 中或處理器中，取決于哪個(gè)裝置有可用資源。在處理器中進(jìn)行這一操作，可將 CPLD 的大小和成本降到最小。

簡(jiǎn)要總結此設計示例：CPLD 對鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，檢測被按下的按鍵，然后提供一個(gè)編碼字供處理器讀取并解析。這一功能不僅使處理器不必再承擔掃描任務(wù)，還擴展了 GPIO 的功能。

此設計非常適合于 CoolRunner-II 32 宏單元裝置（利用率大約為 75%），留下 25% 空間作他用。此外，此設計還采用了其他一些方法來(lái)減少功耗并利用 CoolRunner-II 的節能功能。

CPLD 設計詳述

要掃描鍵盤(pán)的行，桶式移位寄存器除一位預置為零外，其他所有位均預置為 1。移位寄存器的每一位驅動(dòng) CPLD 上的一個(gè)輸出引腳，后者與鍵盤(pán)的行相連。當移位寄存器開(kāi)始計時(shí)時(shí)，零位通過(guò)桶式移位器移位，將行逐行置低，以對其進(jìn)行掃描。鍵盤(pán)的列輸入到 CPLD，每個(gè)輸入都通過(guò)一個(gè)內部上拉電阻上拉。

當沒(méi)有按鍵被按時(shí)，CPLD 的所有列輸入都被動(dòng)上拉至邏輯高位。對所有的列輸入一起進(jìn)行“與”操作，這時(shí)輸出端的邏輯 1 表示沒(méi)有按鍵被按。

“與”操作的輸出用于啟動(dòng)移位寄存器。當按鍵被按下時(shí)，列與行取得連接，按下的鍵所在的列被與該按鍵相關(guān)的行置低。“與”操作的輸出將變?yōu)榱?，從而在按鍵被按下時(shí)中止移位寄存器。

圖 4 – 模塊圖

此時(shí)，移位寄存器將按下的鍵所在的行置低，而該鍵所在的列亦處于低位。為了使這些信息相關(guān)聯(lián)，使用了兩個(gè)編碼器：一個(gè)用于行位（移位寄存器的輸出），另一 個(gè)用于列輸入。兩個(gè)編碼器的輸出組合起來(lái)，就構成發(fā)送給處理器的編碼字。圖 4 為這一操作的模塊圖。

結束語(yǔ)

使用 Xilinx CoolRunner-II CPLD，獲得的是靈動(dòng)的設計與低功耗。除了 I/O 擴展之外，CPLD 還可以加入其他“粘合”功能，如：電壓轉換、I/O 標準轉換與輸入滯后。

由于 CPLD 為可編程，您可以將同一裝置用于不同的鍵盤(pán)和產(chǎn)品，而收高產(chǎn)量低成本之效?？稍倬幊痰奶攸c(diǎn)輔之以簡(jiǎn)便易用的設計工具，使您可以對設計進(jìn)行晚期更改，降低風(fēng)險。

要了解此應用的詳情，請參閱 Xilinx 應用說(shuō)明，“使用 CoolRunner-II 實(shí)現鍵盤(pán)掃描器”，網(wǎng)址為 www.xilinx.com/bvdocs/appnotes/xapp512.pdf。有關(guān) Xilinx CPLD 的詳情，請訪(fǎng)問(wèn) www.xilinx.com/cn/cpld/。