如何設計嵌入式輸入設備？

嵌入式系統可以對各種數據信息進(jìn)行快速計算、分析、輸出，即完成對數據的處理，但很多時(shí)候就需要用戶(hù)“告訴”系統如何執行下一步動(dòng)作，這時(shí)，就需要使用輸入設備將用戶(hù)的“指示”或“依據”傳遞給嵌入式系統。

常見(jiàn)的人機交互輸入設備包括按鍵、觸摸屏、麥克風(fēng)及其他各類(lèi)用戶(hù)可控輸入的傳感器等。隨著(zhù)科技的發(fā)展，不僅我們常見(jiàn)的交互輸入設備出現了新的形態(tài)，而且也出現了不少新的交互輸入方式。比如，現在手機中的電容按鍵及重力感應傳感器、距離傳感器?，F在的交互設備不僅體現在硬件設備的復雜性上，而且在相關(guān)數據的復雜性上也與以往有了較大的增加。比如，可用于語(yǔ)音輸入的麥克和可用于人臉識別的攝像頭，為了完成這些人機交互輸入，除了硬件輸入設備對信息采集外，還需要后臺進(jìn)行大量的數據處理，以幫助系統“理解”用戶(hù)的“輸入信息”。

下面我們詳細介紹最常用的輸入設備：鍵盤(pán)/按鍵。

圖 1 最常用的輸入設備鍵盤(pán)

鍵盤(pán)

鍵盤(pán)是嵌入式應用的常用外部設備之一。鍵盤(pán)是由若干個(gè)按鍵組成的開(kāi)關(guān)矩陣，它是最簡(jiǎn)單的數字量輸入設備。對系統而言，鍵盤(pán)上不同的按鍵代表著(zhù)不同的含義(一般來(lái)說(shuō)，按鍵的含義可通過(guò)軟件定義)。用戶(hù)通過(guò)按動(dòng)鍵盤(pán)的按鍵，輸入數據或命令，實(shí)現簡(jiǎn)單的人機交互。

1、鍵盤(pán)的基本電路

鍵盤(pán)的基本電路是一個(gè)接觸開(kāi)關(guān)，通、斷兩種狀態(tài)分別表示邏輯“0”和“1”。如圖2所示，當開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，處理器檢測到相應引腳為高電平，表示邏輯“1”;當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，處理器檢測到相應引腳為低電平，表示邏輯“0”。

2、鍵盤(pán)的分類(lèi)

按鍵排布的方式，鍵盤(pán)可分為可分成獨立式按鍵鍵盤(pán)和矩陣式按鍵鍵盤(pán);按讀入鍵值的方式，可分為直讀方式和掃描方式;按編碼方式，可分成非編碼方式和硬件編碼方式;按微處理器響應方式可分為中斷方式和查詢(xún)方式。以上各種方式組合可構成不同硬件結構和接口的鍵盤(pán)。以下介紹較為常用的兩種方式。

①獨立式

獨立式按鍵鍵盤(pán)是指將每個(gè)獨立按鍵按一對一的方式直接接到微處理器的I/O輸入端口，如圖2所示。讀鍵值時(shí)，處理器可以檢測相應I/O輸入端口的狀態(tài)，判定輸入電平，確定輸入的邏輯值。按鍵之間在硬件和讀取方式上均相互獨立，所以習慣稱(chēng)這種按鍵為獨立式按鍵。這種方式在軟硬件上實(shí)現均比較簡(jiǎn)單，但每一個(gè)按鍵都占用一個(gè)I/O端口，占用的資源較多，一般在按鍵數量較少，微處理器I/O資源充足時(shí)采用。

圖 2 鍵盤(pán)模型及按鍵抖動(dòng)示意圖

②矩陣式

矩陣式鍵盤(pán)是用n條I/O線(xiàn)組成行輸入口，m條I/O線(xiàn)組成列輸出口，在行列線(xiàn)的每一個(gè)交點(diǎn)上設置一個(gè)按鍵。如圖3(b)所示，為一個(gè)4行4列的矩陣鍵盤(pán)。矩陣式鍵盤(pán)讀取鍵值一般采用逐行掃描的方式，即輸出口按位輪換輸出低電平，再從輸入口讀入信息，最后計算各次從輸入口讀取的信息，獲得鍵碼。例如，將row0~3配置為輸出模式，col0~3配置為輸入模式;現將row0輸出低電平，row1~3輸出高電平，讀取col0~3;如果此時(shí)第0行0列的按鍵有按下，則col0檢測到輸入為低電平，其他列為高電平。這種方式占用I/O線(xiàn)較少，在按鍵較多的應用中采用較多。

設計鍵盤(pán)時(shí)，通常小于4個(gè)按鍵的應用，可以使用獨立式接口。如果按鍵較多，為了減少微處理器的I/O端口的占用，可以使用矩陣式鍵盤(pán)。

圖3 獨立鍵盤(pán)與矩陣鍵盤(pán)

另外，如果使用處理器I/O直接與矩陣鍵盤(pán)接口相連，上述矩陣鍵盤(pán)的檢測方式需要處理器不斷對接口掃描檢測。對速度較快的處理器來(lái)說(shuō)，這種檢測方式是對處理器的極大浪費。所以實(shí)際應用中建議使用專(zhuān)門(mén)的矩陣鍵盤(pán)的驅動(dòng)芯片或I/O擴展芯片，來(lái)實(shí)現對矩陣鍵盤(pán)的檢測，比如ZLG7290、CAT9555等擴展芯片。使用驅動(dòng)或I/O擴展芯片，可以將處理器從簡(jiǎn)單但頻繁的鍵盤(pán)掃描動(dòng)作中解放出來(lái)。如圖4為ZLG7290實(shí)現矩陣鍵盤(pán)應用的基本電路，該芯片支持2×8個(gè)I/O擴展，采用I2C接口與處理器連接，并支持中斷輸出，最大可擴展8×8的矩陣鍵盤(pán)，。

圖 4 ZLG7290矩陣鍵盤(pán)電路