摘要： 為了在不增加CPU 工作負擔的前提下，實現標準鍵盤和矩陣鍵盤雙鍵盤同時工作，提出了一種基于復雜可編邏輯器件（CPLD）的矩陣鍵盤掃描方案，實現了在矩陣鍵盤狀態控制下CPLD 自動完成鍵盤掃描、編碼、輸出的功能，CPU 通過定時器中斷服務程序定時查詢矩陣鍵盤狀態，并將按鍵值直接送入鍵盤緩沖區，供其他程序使用。

　　給出了CPLD 部分模塊的VHDL 語言實現和仿真波形。在矩陣鍵盤的掃描、編碼、輸出完全不需CPU 控制的前提下，實現標準鍵盤和矩陣鍵盤雙鍵盤同時使用。

　　在基于PC104 的便攜式野外測試設備的設計中，鍵盤是常用的輸入設備。對于便攜式設備野外工作時，一般使用小型（4×4）矩陣鍵盤就能滿足設備的信息輸入需要； 室內調試時， 使用標準PS2 鍵盤更方便、靈活。一般的做法是保留PC104 的鍵盤接口用于接標準鍵盤， 利用擴展I/O接口完成小矩陣鍵盤的掃描和輸入。這樣做雖然可以實現設備雙鍵盤同時工作的功能， 卻需耗費大量的CPU 處理時間掃描矩陣鍵盤， 造成CPU 處理其他信息的能力下降。而本文設計的基于CPLD 的矩陣鍵盤掃描模塊能夠很好地解決上述問題。

　　1 矩陣鍵盤掃描原理

　　圖1 給出了4×4 矩陣鍵盤的電路圖， 在圖1 中KX[3..0]為掃描碼輸入，KY[3..0]為掃描碼輸出。鍵盤掃描開始時，首先置KX[3..0]=“0000”；鍵盤掃描碼寄存器和鍵盤掃描碼緩存器Kreg[15..0]和Kscan[15..0]置成“1111111111111111” （ 全1為沒有鍵按下，有鍵按下時至少有一位為0），一旦有鍵按下，KY[3..0]輸出不全為“0”的掃描碼觸發鍵盤掃描功能開始鍵盤掃描，掃描開始后，依次將KX3、KX2、KX1、KX0 置“0”，分別將對應的4 組KY[3..0]輸入值保存于Kscan[15..12]、Kscan[11..8] 、Kscan[7..4] 、Kscan[3..0]中，而后比較Kscan 和Kreg 的大小，如果Kscan 小于Kreg，將Kscan 保存于Kreg 中，重復上述掃描過程直到Kscan[15..0]各位輸出全為“1”時，說明按下的鍵全部抬起，Kreg[15..0]中的每一個為“0”的位對應一個按下的鍵，保留掃描過程中的Kreg 最小值就可以處理組合鍵。

　　根據記錄的Kreg 值可以判斷是哪個或哪幾個鍵按下， 據此編碼按鍵值后輸出。將KX[3..0]置為“0000”，等待下一次按鍵發生。

圖1 4×4 矩陣鍵盤電路圖。

　　2 基于CPLD 的4×4 矩陣鍵盤掃描模塊設計

　　根據上述掃描原理和工作流程，如果以PC104 CPU 實現上述矩陣鍵盤的掃描過程， 那么在有鍵按下后，CPU 必須不停地掃描矩陣鍵盤電路，在此期間不能進行其他工作，降低了CPU 工作效率，且CPU 連續高速運轉增加系統功耗。

　　本文的目的就是在不需要CPU 參與的條件下以CPLD完成矩陣鍵盤按鍵事件觸發、按鍵的掃描定位以及按鍵的編碼和鍵值輸出工作，CPU 只需要定時查詢有無鍵按下并讀走按下鍵的按鍵值送入鍵盤緩沖區。這樣就使CPU 從繁重的矩陣鍵盤掃描工作中解脫出來。根據上述鍵盤掃描工作原理，基于CPLD 的4×4 矩陣鍵盤掃描模塊功能框圖如圖2 所示。

圖2 4×4 矩陣鍵盤掃描模塊CPLD 實現框圖。

　　圖中， 模塊KeyTri 在時鐘信號CLK 的控制下實現按鍵事件觸發和矩陣鍵盤掃描時序產生功能； 模塊keycode 在時鐘信號CLK 和掃描時序碼SCode 的控制下完成輸出鍵盤掃描碼KX，同時記錄16 位鍵盤掃描數據等工作，并在所有鍵抬起后對按下的鍵編碼完成輸出功能；模塊nread 實現按鍵碼的暫存、按鍵狀態的置位和清除以及矩陣鍵盤的使能；模塊PCPORT 完成矩陣鍵盤與CPU 的接口； 模塊OSC 與CreatClock 產生控制鍵盤掃描模塊工作的3 KHz 時鐘信號CLK。

　　2.1 鍵盤掃描觸發模塊（KeyTri）的功能與時序仿真

　　鍵盤掃描過程中，掃描信號不停變化，以判斷鍵盤按鍵的按下和抬起。高速變化的鍵盤掃描信號不僅使系統功耗增加，而且還會對其他敏感電路造成干擾。因此在本設計中將鍵盤掃描模式設計成鍵按下觸發掃描方式，只有當鍵盤有鍵按下后，才觸發鍵盤掃描電路產生掃描鍵盤時序，所有鍵都放開后，停止對鍵盤的掃描，使電路處于相對靜止狀態，以減少對其他電路的干擾。

　　鍵盤按下時會有抖動，在按鍵抖動時掃描鍵盤，可能會使鍵盤掃描電路產生誤判，因此在鍵盤按下與開始掃描之間應加入一段延時，延時結束后按鍵仍處于按下狀態，才允許開始鍵盤掃描，這樣做可以最大限度地避免掃描電路的誤判和漏判。

　　鍵盤掃描觸發模塊實現的功能為： 在KX=“0000” 的狀態下，如果有任意一個鍵被按下，KY 必然不全為‘1’，觸發延時功能開始延時，延時結束后，如果KY 仍不全為‘1’，說明該按鍵事件有效， 啟動掃描時序產生1H～BH 的4 位循環掃描時序碼，控制后續的鍵盤掃描電路對鍵盤掃描，當ReSet 變低時，立即將掃描時序碼置為0H，停止本次鍵盤掃描并等待下一次鍵盤按下事件到來。鍵盤掃描觸發模塊的VHDL 語言實現如下：

　　鍵盤掃描觸發模塊的時序仿真如圖3 所示。

圖3 鍵盤掃描觸發模塊的時序仿真。

　　在圖3 中，①和②之間的時間為去鍵盤抖動延時，為了方便仿真，此處把延時時間設定為4 個周期，實際使用時，應保持在20～30 ms 左右。

　　2.2 鍵盤掃描與編碼輸出模塊（keycode）的功能與時序仿真

　　所謂鍵盤掃描，就是在鍵盤的KX 端依次送入掃描碼，以便定位被按下的鍵。鍵盤編碼是對鍵盤掃描值譯碼得到按下鍵的按鍵值。

　　該模塊完成的功能為： 在掃描時序控制碼SCode [3..0]和CLK 的下降沿控制下依次輸出4 組掃描碼“0111”、“1011”、“1101”、“1110”掃描整個鍵盤，同時記錄鍵盤的掃描值，將記錄的4 組掃描值組合成一組16 位的鍵盤掃描值Kscan [15..0]，如果Kscan[15..0] 小于Kreg[15..0]， 將Kscan[15..0] 保存于Kreg[15..0]中，當所有鍵放開后，對Kreg[15..0]譯碼產生按鍵編碼并輸出。有一個鍵按下，16 位的鍵盤掃描值中有且只有一位為0，多鍵組合按下時，鍵盤掃描值中就會有多個位為‘0’，因此在鍵盤掃描過程中，記錄最小的鍵盤掃描值，使得掃描模塊不僅能夠處理單鍵，而且可以處理多鍵組合。具體工作過程說明如下：

　　當SCode [3..0]=0 時，KX=“0000”， 置16 位鍵盤掃描值Kscan[15..0]和Kreg[15..0]為全‘1’，此時無論哪一個鍵按下，都可使KY 不全為‘1’，從而觸發掃描模塊工作；當SCode[3..0]=1 或2 時，KX=“0111”，此時圖1 中K12~K15 有按下的鍵時， KY 對應位為‘0’，其他位為‘1’，記錄KY到鍵盤掃描碼寄存器的Kreg[15..12]；當SCode[3..0]=3 或4 時，KX=“1011”，此時圖1 中K08~K11 有按下的鍵時， KY 對應位為‘0’，其他位為‘1’，記錄KY到鍵盤掃描碼寄存器的Kreg[11..8]；當SCode[3..0]=5 或6 時，KX=“1101”，此時圖1 中K04~K07 有按下的鍵時， KY 對應位為‘0’，其他位為‘1’，記錄KY到鍵盤掃描碼寄存器的Kreg[7..4]；當SCode[3..0]=7 或8 時，KX=“1110”，此時圖1 中K00～K03 有按下的鍵時， KY 對應位為‘0’，其他位為‘1’，記錄KY到鍵盤掃描碼寄存器的Kreg[3..0]；當SCode[3..0]=9 和10 時，如果Kscan[15..0]各位不全為“1” 且Kscan[15..0]< Kreg[15..0]， 將Kscan[15..0] 保存到Kreg[15..0]；否則對Kreg[15..0]譯碼產生按鍵編碼并輸出；當SCode[3..0]=11 且記錄Kscan[15..0]各位為全“1”時，產生鍵盤復位信號ReSet，結束本次鍵盤掃描。

　　鍵盤掃描與編碼輸出模塊的核心模塊VHDL 語言實現如下：

　　鍵盤掃描與編碼輸出模塊的時序仿真圖如圖4 所示。

圖4 鍵盤掃描與編碼模塊的時序仿真。

　　2.3 鍵盤編碼輸出模塊（nread）的功能與時序仿真

　　在該模塊中，KeyData 的最高位KeyData（7）為鍵盤緩存狀態指示位，當KeyData（7）=‘0’時，表示鍵盤緩存中沒有按鍵碼；當KeyData（7）=‘1’時，表示鍵盤緩存中有按鍵碼等待CPU 讀取。KeyData[6..0]為按下鍵的編碼。ReSet 的下降沿用于將KeyVal[6..0]存入KeyData[6..0]，同時將KeyData（7）置成‘1’。enKeyOut 用于使能矩陣鍵盤輸出，當enKeyOut=‘1’時，允許矩陣鍵盤輸出按鍵碼；當enKeyOut=‘0’時，禁止矩陣鍵盤輸出按鍵碼。ClrKey 用于清除鍵盤緩存狀態指示位KeyData（7），當ClrKey=‘0’時，置KeyData（7）為‘0’。

　　鍵盤編碼輸出模塊的VHDL 語言實現如下：

　　鍵盤編碼輸出模塊的時序仿真圖如圖5 所示。

圖5 鍵盤編碼輸出模塊的時序仿真。

　　2.4 接口模塊（PCPORT）的功能與時序仿真

　　該模塊用于實現CPU 讀入鍵盤碼以及矩陣鍵盤控制信號的輸出。開始時，CPU 首先應通過該模塊送出OSCEn=‘1’ 信號， 使振蕩器模塊（OSC） 和時鐘產生模塊（CreatClock）開始工作，產生驅動掃描模塊工作的時鐘信號F3kHz；接下來送出鍵盤禁止信號enKeyOut=0；禁止矩陣鍵盤在穩定工作前隨機輸出按鍵值； 其次送出清除鍵盤緩存狀態指示位的ClrKey 信號； 最后再送出鍵盤使能信號enKeyOut=‘1’，開始模塊掃描鍵盤工作。接口模塊的時序仿真圖如圖6 所示。

圖6 接口模塊的時序仿真。

　　2.5 其他模塊的功能

　　振蕩器模塊（OSC） 為利用Altera 公司的IP 核產生的MAXII 系列CPLD 內帶的振蕩器， 用于在使能信號的控制下產生3.3 MHz 的時鐘輸出。

　　時鐘產生模塊（CreatClock），用于將3.3 MHz 的時鐘分頻產生3 KHz 的鍵盤掃描時鐘，驅動整個鍵盤掃描模塊工作。

　　3 控制軟件的設計

　　本文軟件設計的基本思想是：CPU 利用定時中斷查詢矩陣鍵盤狀態并讀入矩陣鍵盤的按鍵碼，如果按鍵碼為需要立即響應的特殊功能鍵（如熱啟動鍵），即在中斷服務程序中作出處理，否則直接送入與標準鍵盤共用的鍵盤緩沖區，在鍵盤緩沖區與標準鍵盤送來的按鍵碼一起排隊等待CPU 響應處理，從而實現雙鍵盤同時工作。在向鍵盤緩沖區寫入按鍵值時，必須使用DOS 軟中斷，否則會由于中斷優先級的原因而使新寫入的按鍵碼得不到響應。

　　矩陣鍵盤的控制軟件采用C 語言編制，利用PC104 的定時器中斷定時查詢矩陣鍵盤， 如果有鍵值， 將其存入PC104 的鍵盤緩沖區，等待PC104 使用。控制程序的源碼如下：

　　4 測試結果

　　本文所述的鍵盤掃描模塊已經在多功能電法接收機中使用，在使用過程中對矩陣鍵盤的響應時間、準確度、CPU 處理時間占用、以及雙鍵盤同時工作性能等指標進行了測試分析，結果如下：

　　1）矩陣鍵盤響應時間和準確度測試，理論上計算矩陣鍵盤的最短響應時間為T=t1+t2+t3+t4=55.9 ms（其中，t1為防抖動延時時間30 ms; t2鍵盤掃描最短用時， 共掃描2 次用22 個F3 kHz 時鐘周期6.6 ms; t3為鍵盤值暫存時間，3 個F3kHz 時鐘周期1 ms； t4為查詢鍵盤中斷間隔18.3 ms）， 考慮到操作鍵盤的速度， 測試方法為全部16 個鍵以3 次/s 的速度連續按6 次，間隔5 s 換一個鍵，將鍵值輸出到顯示器觀察輸入情況，測試結果為：總按鍵數：96；顯示按鍵數：96；漏判按鍵數：0；錯判按鍵數：0；準確率：100%。

　　2）矩陣鍵盤占用CPU 時間分析，通過對矩陣鍵盤按鍵值的讀入程序分析可知， 當允許矩陣鍵盤輸出且有鍵按下時，每次中斷服務程序需要額外執行8 條語句， 大約用時4 μs；當允許矩陣鍵盤輸出且沒有鍵按下時，每次中斷服務程序需要額外執行3 條語句，大約用時1.5 μs；與CPU 完成矩陣鍵盤掃描工作（假設從鍵按下到釋放一般用時300 ms）相比，一次按鍵讀入CPU 占用時間節省99.998%。

　　3）雙鍵盤同時工作測試，測試方法將矩陣鍵盤和標準鍵盤同時接入系統， 按1 次/s 的速度交替按兩鍵盤的按鍵100個，在顯示器上觀察按鍵輸出情況，得出雙鍵盤工作可靠性數據如下: 總按鍵數：200；顯示按鍵數200；漏判按鍵數：0；錯判按鍵數：0；準確率：100%。因此，該模塊可以實現雙鍵盤同時工作。

　　5 結論

　　該模塊經過測試和使用，得出如下結論：1）基于CPLD 的矩陣鍵盤掃描模塊占用CPU 時間很少；2）可以實現雙鍵盤同時工作；3）誤判、漏判率低；4）反應速度快，能夠處理組合鍵。

　　測試結果表明，該方案滿足設計要求。該模塊以按鍵的放開控制按鍵編碼輸出，因此在鍵按下一段時間后到釋放按鍵之前不能按一定的間隔連續輸出按下鍵的鍵值，矩陣鍵盤沒有連續按鍵輸出功能。鍵盤碼的讀入采用PC104 定時器中斷（18.3 ms 一次）定時查詢的方式實現，在大多數情況下都不會查詢到按鍵事件發生，也就是說矩陣鍵盤占用的比較少的CPU 處理時間中絕大部分被白白浪費。如果能夠修改接口模塊實現更靈活的按鍵外中斷觸發方式讀入鍵值，還可以節省更多的時間。