??? 摘? 要: 對用于單片機的鍵盤子系統" title="鍵盤子系統">鍵盤子系統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計進行狀態描述,并利用可編程邏輯技術和原理圖輸入方式對鍵盤接口" title="鍵盤接口">鍵盤接口芯片的內部結構加以實現。?

??? 關鍵詞: 鍵盤子系統? 專用鍵盤接口? CPLD? 狀態描述?

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??? 在單片機應用系統中,存在多種形式的外部數據輸入接口界面,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據,是實現現場實時調試、數據調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,配合適當的接口管理程序,就可以實現外圍鍵盤擴展功能。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控和處理,這對要求高實時性處理的單片機系統是不現實的。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。然而,這類專用鍵盤接口芯片在使用靈活性方面尚有欠缺,尤其當用戶需要實現某些特定功能時,其缺點更為明顯。針對上述問題,本文提出一種利用復雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)設計技術^[3]實現專用鍵盤接口芯片的方案。?

1 系統原理?

??? 圖1是單片機系統中鍵盤子系統的構成原理框圖。其中鍵盤接口芯片KB-CORE是該子系統的核心部分,它應具備如下功能:第一,產生按鍵掃描時序,并進行硬件去抖動" title="去抖動">去抖動。如果有按鍵按下,實現按鍵編碼、中斷處理等功能。第二,可以區分處理數字鍵和功能鍵。數字鍵將由接口芯片暫存,而當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據或功能代碼。第四,提供數據顯示接口,可以直接驅動4位七段LED數碼管,并進行動態掃描顯示。?

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??? 按鍵根據鍵盤子系統的服務對象擬設置了數字鍵(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構設計?

??? 根據上述專用鍵盤芯片KB-CORE的功能要求,圖2示出本芯片內部應有的結構框圖。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含一個環形計數器。該計數器計數輸出至KSL[0～3]端作為鍵盤掃描信號。每當掃描信號發生變化時,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,數字鍵碼將被保存到先進先出存儲器,功能鍵則直接產生中斷請求信號IRQ,通知CPU讀取鍵碼DBO[0～7]。(2)FIFO RAM中數據容量為16位。每4位對應一個字形符,所以七段LED數碼管需要4位。(3)掃描發生器一方面產生LED的位選信號DSL[0～3],另一方面產生掃描顯示輸出控制電路的位數據選通信號。掃描顯示輸出控制電路根據位數據選通信號讀取FIFO RAM中相對應的數據,然后送七段譯碼電路輸出DP[0～6]驅動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,實現對輸出數據的選擇。若A₀A₁=“00”,則輸出FIFO RAM中的低字節數據;若A₀A₁=“01”,則輸出FIFO RAM中的高字節數據;若A₀A₁=“10”,則輸出控制數據(表明ROW、COL、DAT中哪一個被按下);若A₀A₁=“11”,則不輸出FIFO RAM中的任何數據。?

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3 專用鍵盤接口芯片核心部分的狀態描述與實現?

??? 為了實現上述專用鍵盤接口芯片功能結構,利用可編程邏輯技術對各個功能塊進行邏輯時序描述和實現。由于鍵盤掃描控制和去抖的邏輯時序設計較復雜并具典型性,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所示的狀態圖表示。狀態圖的輸入變量為RST(復位)、KEY-PRESS(有按鍵)、TIMER-OVER(去抖動延時結束);輸出變量包括EN-SCAN(掃描行轉移)、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S₀→S₁→S₂為按鍵掃描狀態鏈,狀態S₃→S₄→S₅為去抖延時狀態鏈,狀態S₆為按鍵保持期。當按鍵被按下時,進入啟動(S₃)去抖延時狀態鏈;去抖延時結束后(S₅),若按鍵沒有按下則恢復掃描狀態鏈(S₀);若按鍵確認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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??? 根據狀態圖3和上述的狀態轉移描述,進行鍵盤掃描控制電路的設計,結果如圖4所示。其中H3是6位循環移位寄存器,由時鐘CLK觸發實現狀態移位。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S₀～S₆,當然它們并非一一對應,但實現的功能相同。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過一個分頻器,使其輸出的信號周期約為T_clk=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態沒有被使用,則可以實現約8ms的去抖動延時。通過這樣的設計,可以免除延時計數器,簡化電路。?

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4 專用鍵盤接口芯片的實現?

??? 根據實時數據校正系統的設計要求,使用了34個自定義I/O引腳和PC44封裝的CPLD來實現專用鍵盤接口芯片KB-CORE。芯片型號的選擇依據綜合所需要的宏單元(Macrocells)個數決定。如果借助硬件描述語言VHDL[5]對上述設計進行描述,綜合結果需要約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,操作結果表明鍵盤接口芯片性能穩定。?

參考文獻?

1 胡漢才.單片機原理及其接口技術,北京:清華大學出版社?

2 沈紅衛.鍵盤/顯示管理芯片8279的應用技巧.微計算機信息,1998;14(2)?

3 朱明程.XILINX數字系統現場集成技術.南京:東南大學出版社,2001?

4 何立民.MCS-51系列單片機應用系統設計——系統配置與接口技術. 北京:北京航空航天大學出版社,1999?

5 潘 松,王國棟.VHDL實用教程.成都:電子科技大學出版社