基于ARM9的多行列键盘设计及其驱动实现

　　1 引 言

　　许多嵌入式系统，尤其是一些人机交互（HMI）较频繁的嵌入式系统，键盘是一种应用最为广泛的输入设备。由于嵌入式设备的功能互异性，为其提供一种通用性键盘是不可行的，一般都需要根据嵌入式系统的实际功能来设计所需的特殊键盘，并实现相应的驱动程序。www.51kaifa.com

　　在嵌入式设备上扩展键盘的常用方式是通过使用CPU的GPIO端口扫描实现的，显然，这种方式会占用系统的GPIO资源，特别是在GPIO资源比较紧张而按键又较多的系统，这个问题就特别突出。当然，也可以通过外扩GPIO（如8255等）或外扩专用的键盘接口（如8279等）方式实现，但这种方式显然增加了系统的复杂度，在实际系统设计中颇感不便。

　　本文以在ARM9（AT91RM9200）嵌入式微处理器上实现一个POS机键盘（8×8）为例，呈现了一种在嵌入式设备上扩展多行列键盘的新设计思路，并在ARM-Linux系统实现了键盘的驱动程序。

　　2、接口电路的硬件设计

　　本文通过一个设计实例，说明如何使用一种比较简单的方式，来实现一个8×8的POS机矩阵键盘，POS机所采用的微处理器是AT91RM9200芯片。AT91RM9200是ATMEL公司生产的一款高性能的32位ARM9处理器，它是一款通用工业级ARM芯片，在工业控制、智能仪器仪表等领域内得到了大量的应用［3，4］，其详细芯片特性可参见文献［2］。

　　在AT91RM9200上扩展键盘，一般都是通过其GPIO端口来实现。AT91RM9200虽提供了4×32个可编程的GPIO端口。但为减小芯片体积和功耗，其许多GPIO端口都是与系统的外围设备控制器端口或地址线、数据线进行复用的，所以实际可用于扩展的GPIO端口是很少的。而对于一个8×8键盘，若采用传统的GPIO端口扩展方式，则需要16个GPIO，这在一个比较复杂的POS系统中是很难满足的，因此需要采用其他方式来解决这个问题。

　　图1 键盘接口原理图

　　本文通过数据锁存的方式，充分利用32位处理器的数据宽度优势，使用数据线来替代键盘扩展所需的GPIO端口，从而减少对系统GPIO资源的占用。键盘接口的实现原理如图1所示。在图1所示的电路中，U1301（74LVCC4245）为三态缓冲器，U1302（74HC574）为锁存器，系统工作原理描述如下：

　　U1301的nOE端连接系统的译码输出nKey_CS，部件地址由系统译码电路决定，当向该地址写数据时，nKey_CS信号为低电平，数据可以通过U1301，同时，nKey_CS信号经两级反相器延时后作为锁存信号将数据锁存到U1302的输出端，作为键盘的行扫描信号，而键盘的列扫描信号则仍然使用系统的GPIO。依次向每行送出低电平信号，同时检测连接在GPIO的列信号，即可实现对键盘的扫描。在本系统中，只使用了系统32位数据的低8位作为行扫描信号，在实现8×8矩阵键盘扫描的情况下，仅需要占用8个GPIO口，如果采用同样的方式，分别使用16位数据或32位数据作为行扫描信号，则只需要占用4个或2个GPIO，显然，与传统的方式相比较，该方式可以大大节省系统的GPIO资源。

　　3、键盘的驱动模块设计

　　完成接口电路的设计之后，还需要编写相应的键盘驱动模块。本文采用AT91RM9200芯片中已经运行了ARM-Linux操作系统，因此给键盘的驱动程序开发提供了很大的方便。键盘的驱动模块可分为硬件初始化、文件操作函数的实现以及键盘扫描程序三个部分。

　　3.1 硬件初始化

　　键盘驱动程序的开发模式与Linux系统中一般字符设备的驱动开发步骤相似，关于Linux设备驱动开发的详细分析可参考文献［1］。首先需完成的是驱动程序模块的初始化函数和清除函数。在初始化函数中，除完成模块注册外，还应进行硬件初始化，下面是本文根据AT91RM9200芯片的GPIO控制器的特性［2］，在模块的初始化函数中的硬件初始化的伪代码。

　　……

　　设置所使用GPIO端口为GPIO控制器控制

　　设置所使用GPIO端口的类型为输入

　　使能所使用GPIO端口的输入毛刺滤波功能

　　使能相应的GPIO控制器时钟

　　取指定地址的虚拟地址并向地址写入数据0x0

　　……

　　3.2 文件操作函数的实现

　　因为键盘在系统中一般只起输入作用，因此在键盘驱动程序的file_operations结构中，必须实现的文件操作函数只有文件读函数。

另外在实际应用中，为防止键盘按键的丢失，被按下键的扫描代码通常都放置在一个缓冲区内，直到应用程序准备处理一个按键为止。缓冲区大小一般视应用系统的需求而定，本例中缓冲区大小取为20个按键代码。而缓冲区的实现是以一个环形队列的形式实现。当按键按下后，扫描代码将被放置在队列的下一个空位置，若缓冲区已满，