隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，信息家電和各式各樣的移動終端得到越來越廣泛的應(yīng)用。在這些人機(jī)交互（HMI）較頻繁的嵌入式系統(tǒng)中，鍵盤是一種應(yīng)用昀為廣泛的輸入設(shè)備。由于嵌入式系統(tǒng)具有功耗低、體積小、專用性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此嵌入式鍵盤常常要求具有特殊的工作方式和特定的驅(qū)動設(shè)計。

本文討論了基于ADSP-BF561的非編碼矩陣鍵盤的硬件設(shè)計，并詳細(xì)闡述和分析了鍵盤驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)中的關(guān)鍵問題。ADSP-BF561是AnalogDevicesInc.推出的針對多媒體和通信應(yīng)用方面的一款高性能DSP產(chǎn)品，具有快速的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設(shè)接口，已廣泛使用在各種網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用中。

該鍵盤設(shè)計已應(yīng)用于一款以uClinux2.6和ADSP-BF561作為軟硬件核心的網(wǎng)絡(luò)視頻電話終端產(chǎn)品，在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和實時性。

2、硬件設(shè)計方案

鍵盤的結(jié)構(gòu)通常有兩種形式：線性鍵盤和矩陣鍵盤。在線性鍵盤中，每個按鍵都和一個I/O口連接，資源利用率不高，一般只適用于按鍵較少的場合。矩陣鍵盤連接方式利用（N+M）個I/O口，可以輸入（N×M）個按鍵開關(guān)。根據(jù)矩陣鍵盤識別鍵值方式的不同，又可分為編碼式鍵盤和非編碼鍵盤兩種。

本設(shè)計采用非編碼矩陣鍵盤實現(xiàn)。鍵盤電路由5根行線和6根列線組成，共使用BF561的11個GPIO（GeneralpurposeI/Oport，通用輸入輸出）口，其接口電路如圖1所示。

圖1鍵盤接口電路圖

該矩陣電路的5個行引腳分別被接到BF561的GPIO43-GPIO47端口上，并且這五個端口被配置成輸入口，共用一個中斷源。同時，將6根列線分別接到BF561的GPIO37-GPIO42端口上，配置為輸出口。在矩陣鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處都不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。當(dāng)按鍵沒有按下時，所有的輸入端都是高電平，代表無鍵按下，由于列線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線（行線）就會被拉低，這樣便可以通過GPIO口產(chǎn)生中斷，通知處理器有鍵按下。

3、鍵盤驅(qū)動的實現(xiàn)

本設(shè)計利用GPIO口來直接掃描矩陣鍵盤，從而簡化了掃描電路的設(shè)計，降低了成本，但鍵盤的消抖、掃描等問題都需由軟件來妥善解決。

3.1按鍵消抖

當(dāng)按鍵被按下或抬起的瞬間，由于觸點(diǎn)的彈性作用，會產(chǎn)生機(jī)械抖動，一般持續(xù)幾毫秒到十幾毫秒。這種抖動對于用戶來說是感覺不到的，但嵌入式系統(tǒng)微處理器的運(yùn)行速度（即便是采用低速晶振）相對于人的手動動作是非常迅速的（處理器的速度是在微秒級，而機(jī)械抖動的時間至少是毫秒級的）。因此，有可能只按了一次按鍵，可是處理器卻已執(zhí)行了多次中斷的操作。

為了避免將用戶的一次按鍵誤當(dāng)作幾次按鍵來處理，必須要想辦法去掉這種抖動。本文通過uClinux提供的定時器機(jī)制，利用定時時間取代傳統(tǒng)的忙等方法，提高了系統(tǒng)的性能。當(dāng)鍵盤上有鍵被按下時，鍵盤中斷處理程序被觸發(fā)，其主要實現(xiàn)流程如下：

staticvoidkey_enter_irq（intidx，void*id）

{

關(guān)中斷；

kbd_Scan_timer.expires=jiffies+2;//指定定時器到期的時間

add_timer（&kbd_Scan_timer）;//將一個timer_list對象掛入定時器隊列

}

該定時器對象（kbd_Scan_timer）需在模塊初始化函數(shù)中定義，并指定相應(yīng)的處理函數(shù)。當(dāng)定時器到期時，內(nèi)核就執(zhí)行指定的函數(shù)，完成以下一些工作：掃描鍵盤，得到被按下鍵的掃描碼，查表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的鍵值后送入指定緩沖區(qū)中，開中斷并等待應(yīng)用程序接收。

3.2鍵值掃描

在確定有鍵被按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過程。驅(qū)動程序中采用掃描法實現(xiàn)按鍵的確定。由于行線連接在GPIO的輸入口，且共用一個中斷輸入口，因此，在中斷到來時，需要確定被按下的鍵在哪一行哪一列。

具體實現(xiàn)過程如圖2所示：依次將列線置為低電平，即置某根列線為低電平時，把其他列線置為高電平。在確定某根列線為低電平后，再逐行檢測各行線的電平狀態(tài)。若某行為低，則該行線與置為低電平的列線交叉處的按鍵即為閉合按鍵。由此便可得到閉合鍵的行值和列值，通常這就是一個掃描碼，然后可采用計算法或者查表法將閉合鍵的掃描碼轉(zhuǎn)換成應(yīng)用程序所能夠理解的鍵值。

圖2掃描算法流程圖

3.3緩沖區(qū)同步

得到閉合鍵的掃描碼后，通常將掃描碼轉(zhuǎn)換成應(yīng)用程序可以理解的鍵值后放入一個緩沖區(qū)中，直到應(yīng)用程序處理按鍵為止。緩沖是一個很有用的措施，當(dāng)應(yīng)用程序在按鍵事件發(fā)生了卻不能及時處理它們時，通過緩沖區(qū)就可以防止按鍵丟失。緩沖區(qū)的大小取決于應(yīng)用程序的需要。一般來說，都是把緩沖區(qū)作為一個環(huán)形隊列來管理。

環(huán)形緩沖區(qū)通常有一個讀指針和一個寫指針（如圖3所示）。通過移動讀指針和寫指針就可以實現(xiàn)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取和寫入。當(dāng)一個按鍵被按下時，鍵值將被放置在環(huán)形隊列的寫指針指向的位置。而應(yīng)用程序則是通過讀指針去讀取緩沖區(qū)中的鍵值。若緩沖區(qū)已滿，則任何下一個按鍵都將被丟棄。若緩沖區(qū)為空，則讀進(jìn)程阻塞。使用環(huán)形的緩沖區(qū)可以使得讀寫并發(fā)執(zhí)行，讀進(jìn)程和寫進(jìn)程可以采用“生產(chǎn)者和消費(fèi)者”的模型來訪問緩沖區(qū)，從而方便了緩沖的使用和管理，確保系統(tǒng)的安全性。

圖3環(huán)形緩沖區(qū)

應(yīng)用層中使用了select系統(tǒng)調(diào)用，select會在一個循環(huán)中對每個需要監(jiān)聽的設(shè)備調(diào)用它們各自的poll支持函數(shù)以使得當(dāng)前進(jìn)程被加入各個設(shè)備的等待隊列。若當(dāng)前沒有任何被監(jiān)聽的設(shè)備就緒，則內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度（調(diào)用schedule），當(dāng)前進(jìn)程讓出CPU進(jìn)入阻塞狀態(tài)，schedule返回時將再次循環(huán)檢測是否有操作可以進(jìn)行，如此反復(fù)；否則，若有任意一個設(shè)備就緒，select都立即返回。

poll函數(shù)中利用等待隊列，實現(xiàn)了應(yīng)用程序?qū)彌_區(qū)讀操作的同步。因此，只需再定義

兩個信號量，用于實現(xiàn)同步和互斥：

staticDECLARE_MUTEX（mutex_sem）;/*定義用于互斥的信號量，初值為1*/

/*定義控制驅(qū)動程序?qū)懢彌_區(qū)的信號量，初值為KEYBUF_SIZE-1，表示緩沖區(qū)中的空位

數(shù)*/

structsemaphoreempty_sem;

sema_init（＆empty_sem，KEYBUF_SIZE-1）;

驅(qū)動程序填寫緩沖區(qū)過程的偽代碼如下：

down（empty_sem）;//保證緩沖區(qū)中有空位，否則進(jìn)程掛起

down（mutex_sem）；//申請互斥信號量，保證對緩沖區(qū)的互斥訪問

鍵值送往環(huán)形緩沖寫指針?biāo)傅刂罚?/p>

char_buf_write=（char_buf_write+1）modKEYBUF_SIZE；//修改寫指針

up（mutex_sem）;//釋放互斥信號量

wake_up（&key_wait）;//喚醒等待隊列中的進(jìn)程

應(yīng)用程序讀緩沖區(qū)過程的內(nèi)核實現(xiàn)偽代碼如下：

down（mutex_sem）；//申請互斥信號量，保證對緩沖區(qū)的互斥訪問

環(huán)形緩沖讀指針?biāo)傅刂返闹邓屯脩艨臻g；

char_buf_read=（char_buf_read+1）modKEYBUF_SIZE；//修改讀指針

up（mutex_sem）;//釋放互斥信號量

4、結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于ADSP-BF561的嵌入式矩陣鍵盤。利用GPIO口直接掃描矩陣鍵盤，簡化了掃描電路的設(shè)計，降低了成本；軟件實現(xiàn)上，利用定時器消抖，避免忙等，提高系統(tǒng)效率；利用環(huán)形緩沖管理按鍵信息，使用等待隊列和信號量實現(xiàn)緩沖的同步操作。

目前，此設(shè)計已經(jīng)成功應(yīng)用于一款網(wǎng)絡(luò)視頻電話終端，測試表明，該方案在一定的要求下完全符合性能要求，并具有較好的穩(wěn)定性和實時性。

責(zé)任編輯：gt