??? 摘? 要: 對用于單片機的鍵盤子系統(tǒng)" title="鍵盤子系統(tǒng)">鍵盤子系統(tǒng)的專用鍵盤接口芯片" title="接口芯片">接口芯片進行功能分析,就芯片中核心部件的時序設(shè)計進行狀態(tài)描述,并利用可編程邏輯技術(shù)和原理圖輸入方式對鍵盤接口" title="鍵盤接口">鍵盤接口芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)加以實現(xiàn)。?
??? 關(guān)鍵詞: 鍵盤子系統(tǒng)? 專用鍵盤接口? CPLD? 狀態(tài)描述?
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??? 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中,存在多種形式的外部數(shù)據(jù)輸入接口界面,例如RS-232C串行通信、鍵盤輸入等[1,4]。其中利用鍵盤接口輸入數(shù)據(jù),是實現(xiàn)現(xiàn)場實時調(diào)試、數(shù)據(jù)調(diào)整和控制最常用的方法。單片機的外圍鍵盤擴展電路有多種實現(xiàn)方式,例如直接利用I/O接口線或外接8255A接口芯片,配合適當(dāng)?shù)慕涌诠芾沓绦?就可以實現(xiàn)外圍鍵盤擴展功能。但是,在這些方法中,鍵盤擴展電路需要占用單片機的資源對按鍵進行監(jiān)控和處理,這對要求高實時性處理的單片機系統(tǒng)是不現(xiàn)實的。為了解決這一問題,可以使用專用鍵盤接口芯片(例如Intel8279)[2]來組建鍵盤子系統(tǒng)。然而,這類專用鍵盤接口芯片在使用靈活性方面尚有欠缺,尤其當(dāng)用戶需要實現(xiàn)某些特定功能時,其缺點更為明顯。針對上述問題,本文提出一種利用復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)設(shè)計技術(shù)[3]實現(xiàn)專用鍵盤接口芯片的方案。?
1 系統(tǒng)原理?
??? 圖1是單片機系統(tǒng)中鍵盤子系統(tǒng)的構(gòu)成原理框圖。其中鍵盤接口芯片KB-CORE是該子系統(tǒng)的核心部分,它應(yīng)具備如下功能:第一,產(chǎn)生按鍵掃描時序,并進行硬件去抖動" title="去抖動">去抖動。如果有按鍵按下,實現(xiàn)按鍵編碼、中斷處理等功能。第二,可以區(qū)分處理數(shù)字鍵和功能鍵。數(shù)字鍵將由接口芯片暫存,而當(dāng)功能鍵被按下時申請CPU中斷處理;對多個按鍵同時按下,按一定的編碼優(yōu)先級處理。第三,提供與MCS-51系列單片機兼容的接口,單片機可以讀取芯片中保存的數(shù)據(jù)或功能代碼。第四,提供數(shù)據(jù)顯示接口,可以直接驅(qū)動4位七段LED數(shù)碼管,并進行動態(tài)掃描顯示。?
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??? 按鍵根據(jù)鍵盤子系統(tǒng)的服務(wù)對象擬設(shè)置了數(shù)字鍵(0～9)、功能鍵(ROW、COL、DAT)、清零鍵(CLR)共14個,排成4×4的矩陣,有兩個未定義。?
2 專用鍵盤接口芯片功能結(jié)構(gòu)設(shè)計?
??? 根據(jù)上述專用鍵盤芯片KB-CORE的功能要求,圖2示出本芯片內(nèi)部應(yīng)有的結(jié)構(gòu)框圖。其工作原理如下:(1)鍵盤掃描" title="鍵盤掃描">鍵盤掃描控制及編碼電路中內(nèi)含一個環(huán)形計數(shù)器。該計數(shù)器計數(shù)輸出至KSL[0～3]端作為鍵盤掃描信號。每當(dāng)掃描信號發(fā)生變化時,鍵盤掃描控制器從KRL[0～3]端讀入某一行按鍵的狀態(tài)信號。如果沒有按鍵被按下,則掃描下一行;如果有按鍵被按下,則控制器鎖定被掃描行,并延遲約10ms去抖動,然后再次掃描被鎖定行以確定按鍵是否誤讀。如果按鍵被證實按下,則一直等待直至用戶松開該鍵。與此同時,數(shù)字鍵碼將被保存到先進先出存儲器,功能鍵則直接產(chǎn)生中斷請求信號IRQ,通知CPU讀取鍵碼DBO[0～7]。(2)FIFO RAM中數(shù)據(jù)容量為16位。每4位對應(yīng)一個字形符,所以七段LED數(shù)碼管需要4位。(3)掃描發(fā)生器一方面產(chǎn)生LED的位選信號DSL[0～3],另一方面產(chǎn)生掃描顯示輸出控制電路的位數(shù)據(jù)選通信號。掃描顯示輸出控制電路根據(jù)位數(shù)據(jù)選通信號讀取FIFO RAM中相對應(yīng)的數(shù)據(jù),然后送七段譯碼電路輸出DP[0～6]驅(qū)動LED顯示屏的段選信號電極。(4)接口控制電路一方面用來識別CPU的讀時序;另一方面用來對地址信號線A1A0譯碼,實現(xiàn)對輸出數(shù)據(jù)的選擇。若A0A1=“00”,則輸出FIFO RAM中的低字節(jié)數(shù)據(jù);若A0A1=“01”,則輸出FIFO RAM中的高字節(jié)數(shù)據(jù);若A0A1=“10”,則輸出控制數(shù)據(jù)(表明ROW、COL、DAT中哪一個被按下);若A0A1=“11”,則不輸出FIFO RAM中的任何數(shù)據(jù)。?
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3 專用鍵盤接口芯片核心部分的狀態(tài)描述與實現(xiàn)?
??? 為了實現(xiàn)上述專用鍵盤接口芯片功能結(jié)構(gòu),利用可編程邏輯技術(shù)對各個功能塊進行邏輯時序描述和實現(xiàn)。由于鍵盤掃描控制和去抖的邏輯時序設(shè)計較復(fù)雜并具典型性,因此下面將對鍵盤掃描控制和去抖部分的設(shè)計思想進行介紹。?
??? 鍵盤掃描時序的基本原理[4]可以用圖3所示的狀態(tài)圖表示。狀態(tài)圖的輸入變量為RST(復(fù)位)、KEY-PRESS(有按鍵)、TIMER-OVER(去抖動延時結(jié)束);輸出變量包括EN-SCAN(掃描行轉(zhuǎn)移)、EN-CODED(鍵盤編碼啟動)、START-TIMER(開啟去抖動延時)。從圖3中知道,狀態(tài)S0→S1→S2為按鍵掃描狀態(tài)鏈,狀態(tài)S3→S4→S5為去抖延時狀態(tài)鏈,狀態(tài)S6為按鍵保持期。當(dāng)按鍵被按下時,進入啟動(S3)去抖延時狀態(tài)鏈;去抖延時結(jié)束后(S5),若按鍵沒有按下則恢復(fù)掃描狀態(tài)鏈(S0);若按鍵確認(rèn)被按下則進入保持期(S6),并輸出按鍵編碼,維持至按鍵松開。?
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??? 根據(jù)狀態(tài)圖3和上述的狀態(tài)轉(zhuǎn)移描述,進行鍵盤掃描控制電路的設(shè)計,結(jié)果如圖4所示。其中H3是6位循環(huán)移位寄存器,由時鐘CLK觸發(fā)實現(xiàn)狀態(tài)移位。移位寄存器的輸出Q0～Q5分別代表鍵盤掃描控制電路的狀態(tài)S0～S6,當(dāng)然它們并非一一對應(yīng),但實現(xiàn)的功能相同。值得一提的是,如果專用鍵盤芯片KB-CORE的外部時鐘CLK來自單片機的ALE信號(如圖1所示),當(dāng)單片機時鐘為6MHz時,則專用鍵盤芯片KB-CORE的外接時鐘為1MHz的方波信號,信號周期為1μs。如果將該時鐘信號經(jīng)過一個分頻器,使其輸出的信號周期約為Tclk=1μs×212≈4ms,然后再作為H3的時鐘信號。這意味著鍵盤掃描控制電路約4ms掃描一行按鍵。如果H3中的Q2態(tài)沒有被使用,則可以實現(xiàn)約8ms的去抖動延時。通過這樣的設(shè)計,可以免除延時計數(shù)器,簡化電路。?
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4 專用鍵盤接口芯片的實現(xiàn)?
??? 根據(jù)實時數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)的設(shè)計要求,使用了34個自定義I/O引腳和PC44封裝的CPLD來實現(xiàn)專用鍵盤接口芯片KB-CORE。芯片型號的選擇依據(jù)綜合所需要的宏單元(Macrocells)個數(shù)決定。如果借助硬件描述語言VHDL[5]對上述設(shè)計進行描述,綜合結(jié)果需要約140個宏單元;如果改用原理圖輸入方式,則只需約60個宏單元。因此選用XC9572芯片可以滿足上述專用鍵盤接口芯片KB-CORE的要求。實際使用如圖1和圖2所示,操作結(jié)果表明鍵盤接口芯片性能穩(wěn)定。?
參考文獻?
1 胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù),北京:清華大學(xué)出版社?
2 沈紅衛(wèi).鍵盤/顯示管理芯片8279的應(yīng)用技巧.微計算機信息,1998;14(2)?
3 朱明程.XILINX數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場集成技術(shù).南京:東南大學(xué)出版社,2001?
4 何立民.MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計——系統(tǒng)配置與接口技術(shù). 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999?
5 潘 松,王國棟.VHDL實用教程.成都:電子科技大學(xué)出版社