嵌入式中基于Qt／Embedded的鍵盤(pán)接口設計

引言

隨著(zhù)嵌入式系統的不斷發(fā)展，特別是嵌入式處理器運算能力的不斷增強，嵌入式系統被廣泛應用于信息家電、移動(dòng)通信、手持信息設備以及工業(yè)控制等眾多領(lǐng)域。與此同時(shí)，用戶(hù)對于嵌入式系統圖形用戶(hù)界面的需求也不斷提高。嵌入式Linux作為一種流行的嵌入式系統平臺，它所具備的穩定、高效、易裁剪、易移植、硬件支持廣泛等優(yōu)點(diǎn)，結合其源碼開(kāi)放的特征，使得Linux在嵌入式操作系統中的地位日益重要。Qt／Embedded是一個(gè)完整的自包含GUI和基于 Linux的嵌入式平臺開(kāi)發(fā)工具，因其面向對象、跨平臺、界面設計更美觀(guān)和友好而得到廣泛的應用。Qt／Embedded具有客戶(hù)／服務(wù)器模型，直接向幀緩沖寫(xiě)入數據，摒棄了X窗口系統，節省了內存。同時(shí)，將外部輸入設備抽象為鍵盤(pán)和鼠標輸入事件，底層接口支持鍵盤(pán)、GPM鼠標、觸摸屏，以及用戶(hù)自己定義的設備等。

1 硬件設計

電路采用三星S3C2440處理器，實(shí)現了4×4矩陣鍵盤(pán)的輸入。矩陣鍵盤(pán)使用了處理器的4個(gè)GPIO和4個(gè)中斷，以中斷方式獲取鍵值，對應的中斷引腳分別是EINT3、EINT9、EINT11、EINT13。GPIO引腳與矩陣鍵盤(pán)的行相連接作為輸入端，中斷引腳與矩陣鍵盤(pán)的列相連作為矩陣鍵盤(pán)的輸出端。開(kāi)始時(shí)GPIO端輸出為低電平，當有按鍵被按下時(shí)，按鍵所在列輸出低電平產(chǎn)生中斷，這時(shí)可以判斷按鍵所在的列。然后向每一行依次輸入高電平，如果列的輸出端由低電平變成高電平，則可以確定按鍵所在的行，這時(shí)鍵值被唯一鎖定。具體電路如圖1所示。

2 LinuX下鍵盤(pán)接口驅動(dòng)

鍵盤(pán)設備屬于字符設備，鍵盤(pán)驅動(dòng)應該符合字符設備驅動(dòng)的編寫(xiě)模式。Linux采用內核模塊機制，當系統運行的時(shí)候驅動(dòng)程序可以以模塊的形式動(dòng)態(tài)地加載和卸載，既方便了驅動(dòng)的調試，又縮短了開(kāi)發(fā)周期。在驅動(dòng)中必須實(shí)現static int_init my_kb_init(void)函數和stat-
ic void_exit my_kb_exit(void)函數。static int_init my_kb_init(void)函數在內核加載鍵盤(pán)驅動(dòng)時(shí)被調用，注冊模塊為以后調用模塊函數預先做準備，同時(shí)完成字符設備的注冊，分配主設備號，設置中斷類(lèi)型，安裝中斷函數，并且將所有中斷禁止。static void_exit my_kb_ exit(void)函數在卸載模塊時(shí)被調用，用于撤銷(xiāo)初始化函數所做的一切，否則在系統重新引導之前一些東西會(huì )殘留在系統中，導致模塊重新加載失敗。

鍵盤(pán)驅動(dòng)中主要包括以下幾個(gè)子模塊：中斷處理子模塊、鍵盤(pán)掃描子模塊、消抖處理和組合鍵子模塊、重復按鍵子模塊等。驅動(dòng)工作流程如圖2所示。

按鍵的識別主要是在中斷處理子模塊中完成的。當系統有按鍵被按下時(shí)，驅動(dòng)程序先關(guān)掉中斷，然后掃描鍵盤(pán)，確定哪個(gè)鍵按下，鍵盤(pán)按下和抬起都有中斷發(fā)生，這樣可以為用戶(hù)提供按下和抬起標志，以判斷按鍵是單鍵按下還是多鍵齊按。在消抖處理和組合鍵子模塊中，加入Linux內核定時(shí)器，鍵盤(pán)定時(shí)掃描，消除抖動(dòng)得到穩定鍵值。重復按鍵子模塊是根據Linux內部的定時(shí)器，設置自動(dòng)重復開(kāi)始延時(shí)和自動(dòng)重復延時(shí)，鍵盤(pán)按下后根據延時(shí)來(lái)完成按鍵事件，鍵值存入隊列供應用程序讀取。

3 Qt／Embedded鍵盤(pán)輸入策略

3．1 Qt／Embedded架構簡(jiǎn)介

Qt／Embedded Linux應用程序需要一個(gè)正在運行著(zhù)的服務(wù)器應用或者是本身就是一個(gè)服務(wù)器應用程序。任何一個(gè)Qt／Embedded Linux應用程序都可以扮演服務(wù)器的角色。當多于一個(gè)應用程序運行的時(shí)候，應用程序作為客戶(hù)端與服務(wù)器程序相連接。

服務(wù)器進(jìn)程和客戶(hù)端進(jìn)程有不同的分工：服務(wù)器進(jìn)程管理著(zhù)鼠標指針的處理、字符的輸入和屏幕的輸出。另外服務(wù)器還控制著(zhù)屏幕光標的輸出和屏幕保護程序?？蛻?hù)端進(jìn)程完成所有應用程序的具體操作。一個(gè)QWSServer類(lèi)的實(shí)例代表一個(gè)服務(wù)器應用，一個(gè)QWSClient類(lèi)的實(shí)例代表著(zhù)一個(gè)客戶(hù)端應用。每一方面都有一些類(lèi)完成各種操作。

所有系統產(chǎn)生的事件包括鍵盤(pán)事件和鼠標事件都被傳遞到服務(wù)器應用中，然后服務(wù)器將這些事件分發(fā)到客戶(hù)端應用中。

3．2 客戶(hù)端／服務(wù)器的通信

如圖3所示，正在運行著(zhù)的程序通過(guò)增加和刪除窗口不斷地改變屏幕的顯示。服務(wù)器在對應的QWSWindow對象中維護著(zhù)每一個(gè)頂層窗口的信息。每當服務(wù)器接收到一個(gè)事件時(shí)，它都會(huì )查詢(xún)它的頂層窗口列表找到包含該事件位置的窗口。每一個(gè)窗口都有一個(gè)創(chuàng )建它們的客戶(hù)端應用的ID，將這個(gè)ID返回給服務(wù)器。最后服務(wù)器將這個(gè)事件封裝成一個(gè)QWSEvent類(lèi)的實(shí)例，傳遞給相應的客戶(hù)端。

另外還可以通過(guò)QWSServer：：KeyboardFilter類(lèi)實(shí)現按鍵事件的全局的底層過(guò)濾器。這種方法可以實(shí)現電源管理中的一鍵掛起，而不用在所有的應用程序中都對這個(gè)按鍵事件進(jìn)行過(guò)濾。

如圖4所示，服務(wù)器通過(guò)UNIX域套接字與客戶(hù)端進(jìn)行通信?？蛻?hù)端從服務(wù)器接收事件，這些事件通過(guò)重新實(shí)現QApplication的qwsEvent-Filter()函數可以被直接檢索訪(fǎng)問(wèn)。

客戶(hù)端相互之間(和服務(wù)器)通過(guò)QCopChannel類(lèi)通信。QCOP用于在多個(gè)通道間傳送信息，是一個(gè)多對多的通信協(xié)議。每個(gè)通道用名字作為識別 ID，任何一個(gè)想要和它通信的通道都能監聽(tīng)它。QCOP協(xié)議既允許在相同的地址空間內的客戶(hù)端之間進(jìn)行通信，也允許在不同的進(jìn)程的客戶(hù)端之間進(jìn)行通信。

3．3 字符輸入層

如圖5所示，當一個(gè)服務(wù)器應用程序開(kāi)始運行時(shí)使用Qt的插件系統加載鍵盤(pán)驅動(dòng)，驅動(dòng)是一個(gè)QWSKeyboardHandler類(lèi)的實(shí)例。

鍵盤(pán)驅動(dòng)從設備接收鍵盤(pán)事件，并把事件封裝成一個(gè)QWSEvent類(lèi)的實(shí)例，然后把這個(gè)類(lèi)傳送給服務(wù)器。定制鍵盤(pán)可以通過(guò)子類(lèi)QWSKeybo- ardHandler類(lèi)創(chuàng )建一個(gè)鍵盤(pán)驅動(dòng)插件來(lái)實(shí)現。默認的QKbdDriverFactory類(lèi)將自動(dòng)檢測到這個(gè)插件然后把驅動(dòng)加載到正在運行的服務(wù)器應用中。

4 鍵盤(pán)驅動(dòng)插件的實(shí)現

本文通過(guò)Qt的插件系統實(shí)現了矩陣鍵盤(pán)的接口驅動(dòng)。插件是一種遵循一定規范的應用程序接口編寫(xiě)出來(lái)的程序。在現代計算機語(yǔ)言中，應用環(huán)境復雜多變，常常要面臨著(zhù)適應這樣那樣的未知需求的挑戰，為了使程序設計語(yǔ)言具有良好的可擴展性，使之能夠適應復雜的應用環(huán)境，同時(shí)也出于降低設計復雜性的考慮，采用插件機制是一個(gè)很不錯的方法。通過(guò)采用插件系統，把擴展功能從框架中剝離出來(lái)，可以降低框架的復雜度，讓框架更容易實(shí)現。擴展功能與框架之間以一種松耦合的方式集成，允許在保持接口不變的情況下，實(shí)現彼此的獨立變化。

Qt提供了兩種插件：一種是高層的插件，用來(lái)擴展Qt自身，如自定義數據庫驅動(dòng)、圖像格式、文本編解碼器、自定義風(fēng)格等；一種是底層的插件，用來(lái)擴展Qt應用程序。

一個(gè)鍵盤(pán)插件的實(shí)現，通常至少需要兩個(gè)類(lèi)：一個(gè)是插件封裝器類(lèi)，它實(shí)現了插件的通用API函數；另外一個(gè)是一個(gè)或多個(gè)處理器類(lèi)，每個(gè)處理器類(lèi)都實(shí)現了一種用于特殊類(lèi)型插件的API。通過(guò)封裝器類(lèi)才能訪(fǎng)問(wèn)這些處理器類(lèi)。下面是具體的實(shí)現過(guò)程：

首先要實(shí)現一個(gè)自己的MyKeyDriverPlugin類(lèi)，這個(gè)類(lèi)繼承了QKbdDriverPlugin類(lèi)，需要重新實(shí)現QKbdDriverPlugin：：keys()函數和QKbdDriverPlugin：：create()函數。

keys()函數返回一個(gè)鍵盤(pán)插件的鍵值，這個(gè)鍵值不能和其他的鍵值相沖突。create()函數返回一個(gè)給定鍵值的QWSKeyboardHandler派生類(lèi)的實(shí)例。

在．cpp文件的最后，必須添加一個(gè)下面這樣的宏：Q_EXPORT_PLUGIN2(keyboard，MyKeyDriverPlugin)

第一個(gè)參數項是目標庫名字去除任意擴展符、前綴或者版本號之后的基本名。第二個(gè)參數則是插件的類(lèi)名。

第二個(gè)要實(shí)現的類(lèi)是處理類(lèi)MyKeyboardHandler，這個(gè)類(lèi)需要繼承QWSKeyboardHandler類(lèi)。當鍵盤(pán)驅動(dòng)捕獲到鍵盤(pán)數據時(shí)，系統會(huì )通過(guò)套接字監聽(tīng)鍵盤(pán)信息，并在MykeyboardHandler：：readKbdData()中對捕捉到的掃描數據進(jìn)行處理并封裝，然后向服務(wù)器端發(fā)送鍵盤(pán)事件。

①打開(kāi)鍵盤(pán)設備并初始化，一般調用open()函數。

②監控鍵盤(pán)設備，調用QScoketNotifier監控鍵盤(pán)設備kbdFd。

③發(fā)生鍵盤(pán)事件時(shí)讀取鍵盤(pán)事件，讀取鍵盤(pán)事件后將鍵值、按下等信息翻譯成Qt內部鍵盤(pán)事件的格式，并通過(guò)調用processKeyEvent將事件分發(fā)出去。

5 鍵盤(pán)插件在應用程序中的使用

將鍵盤(pán)插件編譯后生成一個(gè)libkeyboard．so的動(dòng)態(tài)庫，這個(gè)動(dòng)態(tài)庫的名字是由Q_EXPORT_PLUGIN2宏的第一個(gè)參數決定的。派生插件默認存儲在標準插件目錄下的子目錄中，如果它們沒(méi)有存儲在正確的目錄下Qt不會(huì )找到這些插件，所以要在使用的文件系統中創(chuàng )建Qt的標準插件目錄。

要想應用程序在啟動(dòng)的時(shí)候能夠正確加載鍵盤(pán)插件還要設置嵌入式Linux系統中的環(huán)境變量：

QWS_KEYBOARD=MyKeyHandler：／dev／kbd

MyKeyHandler對應著(zhù)key()函數中的鍵值，kbd是在／dev文件夾下的鍵盤(pán)設備文件。Qt應用程序開(kāi)始運行后要根據 QWS_KEYBOARD這個(gè)環(huán)境變量創(chuàng )建一個(gè)MyKeyboardHandler類(lèi)。窗口部件響應服務(wù)器分發(fā)的鍵盤(pán)事件還要重新實(shí)現如下函數。