采用ispLSI1016芯片实现4×5键盘控制器设计

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。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。

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。

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