isp1016实现机载导航系统的键盘控制
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关键词：键盘控制器 在线可编程 扫描线 isp1016
1 键盘控制器的外部接口信号
无论在任何计算机系统中，键盘都是最重要的输入设备，但是普通键盘不能满足机载要求。笔者在新一代电子航空图导航系统中，用Lattice公司的ispLSI1016设计了一个4×5键盘控制器（以下简称KBC），经实际应用，该键盘控制器通用性较强。图1是其键盘和显示器外观示意图。
一航情况下，KBC应该是CPU的一个外部I/O设备，它一方面监测各按钮状态，另一方面接受CPU的查询并主动向CPU请求中断。因此，外部接口信号分CPU接口信号和键盘按钮矩阵状态信号。图2为通用KBC外部接口信号示意图，其定义如下：
*Reset：复位，低有效。该信号有效时将异步复位内部所有寄存器，以对KBC进行初始化；
*CLK：工作时钟，频率为100kHz；
*CS：片选，低有效；
*RD：读信号，低有效；
*A0:片内地址，用于区分片内寄存器；
*INT:中断请求，高有效。当键盘控制器检测到有效按键时，该脚为高，当CPU读走按键编码时，KBC自动撤销中断请求；
*D4～D0：三态数据线；
*SL3～SL0:扫描输出，按键盘矩阵的列线；
*RL4～RL0:回复线，接键盘矩阵的行线。
实际上，大部分矩阵键盘的行列是可对换的。
2 KBC接口寄存器定义及驱动程序
KBC针对CPU接口设计有2个只读寄存器，即数据寄存器（Dreg）和状态寄存器（Sreg）。数据寄存器用于保持有效按键的编码值，该编码值就是按键所在的行列；而状态寄存器则用于保持按键的状态信息，以供CPU查询。当CPU访问KBC时（即CS和RD同时有效）,adk A0=0，则访问数据寄存器，否则访问状态寄存器。表1、表2分别是数据寄存器和状态寄存器的定义。
表1 数据寄存器定义
| D7 D6 D5 | D4 D3 | D2 D1 D0 |
| X X X | Col(列值) | Row(行值) |
表2 状态寄存器定义
| D7 D6 D5 | D4 D3 D2 D1 | D0 |
| X X X | 0 0 0 0 |
显然，KBC的编程可以有2种模式，一种是软件查询，另一种是中断驱动。由于本系统采用WindowNT为运行环境，KBC对应用程序透明，所以，将INT请求直接和CPU的某一空闲中断(IRQ9)相连接，以便使驱动程序能将KBC作为一个设备打开。在初始化加载时，应将对应中断触发设置为电平敏感。其VC核心代码如下：
＃define SReg 0x401 //键盘状态寄存器地址
#define DReg 0x400 //键盘数据寄存器地址
…
BYTE SR,Key,Row,Col；
…
SR=inp(SReg)&0x1f;
//读数据寄存器，低6位有效
Col=Key>>3；
//右移3位，提取按键列值
Row=Key & 0x07；//提取按键行值
}
至此，就可根据Row和Col的值将它翻译为某一标准键，并存入NT键盘缓冲区。
3 KBC内部逻辑设计
内部控制逻辑设计的关键是掌握按键识别原理。图3所示是其键盘识别原理图。设计时，可将按键设置在行线、列线的交点上。行线通过上拉电阻接到VCC(+5V)，无按键时处于高电平。有按键时行线电平状态由列线决定。所有列线均为高则行线高，任一列线为低则行线低。KBC处理的核心就在于确认某一行线为低时，能定位出对应的列线。
3.1 输出扫描线（SL3..SL0）
在设计输出扫描线时，可以使用一个2-Bit状态机Q5[L1..0]来依次轮流使扫描线输出为低电平。驱动时钟的周期为640ms，亦即每即扫描线持续640ms的低电平。将状态机的状态编码值和当前周期为低电平的扫描线序号对应起来，即可简化后续处理。图4是扫描线输出波形。注意，无论何种按键组合，在任一状态，有且仅有一个扫描线为低电平，否则后续处理将无法正确识别。
3.2 键盘编码
处理回复线（RL4..RL0）时，应该对其中为低电平的行线进行编码。5个行线需要3-Bit寄存器，记为[RQ5..RQ0]，其真值表如下：
[RL4..RL0] ->[RQ2..0]
----------------
[H,H,H,H,L] ->[0,0,0];0
[H,H,H,L,H] ->[0,0,1];1
[H,H,L,H,H] ->[0,1,0];2
[H,L,H,H,H] ->[0,1,1];3
[L,H,H,H,H] ->[1,0,0];4
当KBC确认是有效按键后，应把行列编码值放入缓冲，以供CPU读取，其逻辑表达如下：
式中，[KSL1,KSL0]是记录有效按键的扫描线编码，即当时的[QSL1..0]状态。
3.3 CPU的读操作
CPU读状态寄存器时，系统把中断请求寄存器INT的值送出，而读数据寄存器时，它将把FIFO缓冲的按键值送出，处理CPU读操作的表达式如下：
[D4..D0].oe=!CS & !RD; //寄存器由三态控制
[D4..D0]=(!A0 & [FIFO4..FIFO0])＃ //A0=0：送按键数据
(A0 & [L,L,L,L,INT])； //A0=1；送状态
INT.ar=!Reset #(!CS&!RD & !A0);//读数据寄存器时应撤销中断
3.4 键盘处理状态机
该状态处理机是KBC处理的核心。图5是其状态转移图，其驱动时钟应该比扫描周期快而且应该是它的整数倍。此处采用的80ms时钟周期是扫描周期的8倍。下面讨论其状态转移条件。
S0：复位状态
1.记录当前扫描周期
2.if若有低电平的回复线then S1 else S0；
S1:
1. 启动延时（去抖）计数器，延时10.24ms
2. 无条件进入下一状态S2
S2:去抖状态
if去抖正确then S3
else S0
S3:确认状态
1. 将有效键值打入FIFO缓冲
2. 设置
4 改进建议
上述KBC完全可以满足一般系统对键盘的要求，但仍然可以改进以使之更加智能化。例如使CPU能够对KBC的读操作和写入控制字进行适当控制、使KBC可处理组合按键和按键连击、增加KBC多字节的缓冲等。上述功能完全可以根据设计者系统和应用程序的要求进行改进。本设计源代码使用的是ABLE硬件描述语言，对此感兴趣的同志可以和作者进行联系。
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