嵌入式系統(tǒng)鍵盤(pán)接口模塊的ＦＰＧＡ實(shí)現(xiàn)

摘要：本文給出了嵌入式系統(tǒng)鍵盤(pán)接口模塊的實(shí)現(xiàn)方案，并著重對(duì)鍵盤(pán)掃描與狀態(tài)判決、鍵碼輸出、鍵盤(pán)命令接收與響應(yīng)三部分的FPGA實(shí)現(xiàn)做了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；鍵盤(pán)；FPGA

概述

隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)和應(yīng)用不斷創(chuàng)新，軍用通信裝備或民用信息終端的通信功能和信號(hào)處理能力與日俱增，與此同時(shí)，不同的通信終端對(duì)于系統(tǒng)功能、實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性及體積重量等方面有著不同的要求，這促使嵌入式系統(tǒng)得以更廣泛地應(yīng)用。

圖一

通信終端不僅要求系統(tǒng)完成終端控制功能，同時(shí)要完成通信和數(shù)字信號(hào)處理功能。由于FPGA支持高速的并行運(yùn)算，因而高速數(shù)字信號(hào)處理通常由FPGA來(lái)完成；同時(shí)由于FPGA在時(shí)序控制方面的優(yōu)勢(shì)及軟件定義接口方面的靈活性，F(xiàn)PGA也是嵌入式處理器和系統(tǒng)外設(shè)連接橋梁。可編程器件廠商更將處理器硬核或軟核植入FPGA器件中，構(gòu)成片上可編程系統(tǒng)(sOPC)。

軍用或民用的手持、背負(fù)、車(chē)載或固定臺(tái)站等通信設(shè)備中，鍵盤(pán)都是不可或缺的輸入單元。鍵盤(pán)接口部分負(fù)責(zé)自定義鍵盤(pán)和嵌入式處理器的連接，完成鍵盤(pán)掃描、鍵碼產(chǎn)生、命令接收與響應(yīng)等功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1中鍵盤(pán)與接口模塊之間的連接是行列掃描信號(hào)，鍵盤(pán)接口模塊與MCU之間的連接則是標(biāo)準(zhǔn)的AT／PS2接口，其中時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線相應(yīng)時(shí)序關(guān)系可參閱相關(guān)規(guī)范。雙向端口表明鍵盤(pán)接口模塊需要向嵌入式處理器提供正確的掃描碼，同時(shí)還需要接收處理器相關(guān)的控制指令，如碼集選擇、Typematic速率和延遲設(shè)定等。

鍵盤(pán)掃描與狀態(tài)判決

鍵盤(pán)掃描電路由按鍵和上拉的行列掃描線構(gòu)成，F(xiàn)PGA根據(jù)掃描時(shí)序?qū)π?或列)輸出低電平，同時(shí)由列(或行)讀入當(dāng)前鍵盤(pán)狀態(tài)。由于有多重按鍵的可能，在行(或列)的空閑時(shí)間由FPGA配置為高阻態(tài)。掃描電路如圖2所示。

鍵盤(pán)接口模塊正確生成鍵碼的基礎(chǔ)是對(duì)鍵按下或釋放的狀態(tài)有正確的判決。實(shí)際鍵盤(pán)在被按下或釋放時(shí)，掃描信號(hào)存在不穩(wěn)定態(tài)，同時(shí)即使按鍵狀態(tài)未做改變，掃描線上也可能有干擾，因此需采用多次采樣、大數(shù)判決的去抖動(dòng)方案，綜合考慮擊鍵或釋放的穩(wěn)定時(shí)間以及擊鍵保持時(shí)間，時(shí)間跨度選為27ms，采用3／2大數(shù)譯碼，相應(yīng)的掃描脈沖時(shí)序如圖3所示。

鍵盤(pán)掃描參數(shù)受嵌入式處理器命令控制，其中Typematic的速率(1／T2)和延遲參數(shù)(T1)與鍵盤(pán)掃描時(shí)序直接相關(guān)，該參數(shù)由0xF3命令置人，在bit7～bit0中，bit7常為“0”，bit6、bit5記為“C”，bit4、bit3記為“B”，bit2、bitl和bit0記為“A”，有：

·Typematic速率=1／((8+A)×(2^B)×0．00417)chars／sec。

·Typematic延遲=(C+1)×250ms。

·缺省參數(shù)為：Typematic速率=10．9 chars／sec20％；Typematic延遲=500mS 20％。

鍵盤(pán)接口模塊對(duì)鍵盤(pán)狀態(tài)的判決還需要正確解決多重按鍵的問(wèn)題。除“Pause”鍵外，所有按鍵在按下并保持時(shí)都會(huì)啟動(dòng)Typematic，當(dāng)有多重按鍵按下時(shí)，最后一個(gè)按鍵進(jìn)入Typematic狀態(tài)，并在釋放時(shí)退出，之前所有按鍵釋放都不影響當(dāng)前的Typematic狀態(tài)。定義STM為T(mén)ypematic當(dāng)前狀態(tài)，F(xiàn)為STIV之前所有按鍵狀態(tài)集合，多重?fù)翩I狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。

圖二

鍵碼生成

鍵盤(pán)接口模塊在正確判決出鍵盤(pán)的按下或釋放狀態(tài)之后，需根據(jù)嵌入式處理器所設(shè)置的鍵盤(pán)掃描碼集生成相應(yīng)的鍵碼，鍵盤(pán)接口模塊響應(yīng)處理器的0xF0命令改變碼集設(shè)定或返回碼集狀態(tài)。在三種鍵盤(pán)掃描碼集中，碼集3最為簡(jiǎn)單，按鍵單字節(jié)，釋放雙字節(jié)(由0xF0為前導(dǎo))，碼集2的掃描碼字節(jié)數(shù)則不盡相同，綜合擊鍵和釋放兩種情況，可能的掃描碼字節(jié)數(shù)為1，2，3，4，5，6，8，碼集2鍵碼最為復(fù)雜，但碼集2的應(yīng)用最為廣泛。

將碼集2的鍵碼分為5種類(lèi)型，對(duì)應(yīng)的Make／Break鍵碼字節(jié)數(shù)分別為l型：1／2；II型：2／3；III型：5／5；IV型：4／6；“Pause'’鍵碼歸為V型，Make鍵碼8字節(jié)，Ctrl按下時(shí)5字節(jié)。圖5給出了常用碼集2的鍵碼產(chǎn)生程序流圖。

鍵盤(pán)接口模塊通過(guò)FPGA片內(nèi)的RAM存儲(chǔ)器構(gòu)成FIFO型鍵碼緩存區(qū)，鍵碼及其前導(dǎo)或后綴都在鍵碼緩存區(qū)中緩存，尋址空間一股為2⁵，鍵碼發(fā)送優(yōu)先權(quán)最低，且必須能根據(jù)相應(yīng)命令被異步清零。

處理器命令接收優(yōu)先權(quán)最高，即鍵盤(pán)接口模塊輸出鍵碼時(shí)首先檢測(cè)時(shí)鐘線和地址線的忙閑狀態(tài)，僅當(dāng)兩線都為空閑狀態(tài)時(shí)輸出鍵碼。時(shí)鐘線可被嵌入式處理器用于停止輸出，即當(dāng)處理器將時(shí)鐘線下拉為低電平時(shí)，鍵盤(pán)接口模塊將停止鍵碼輸出，并將當(dāng)前(校驗(yàn)位已輸出的除外)及之后的鍵碼緩存在FPGA開(kāi)辟的鍵碼緩存區(qū)中。

命令接收與響應(yīng)

鍵盤(pán)接口模塊接收到處理器命令后，需對(duì)命令譯碼，并根據(jù)具體命令向嵌入式處理器返回相應(yīng)的應(yīng)答，同時(shí)可能接收后續(xù)參數(shù)或返回響應(yīng)信息。應(yīng)答和響應(yīng)信息與鍵碼采用相同的串行方式發(fā)送，其優(yōu)先權(quán)介于命令和鍵碼之間，相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖6所示。

為增強(qiáng)鍵盤(pán)接口模塊的可靠性，在進(jìn)入?yún)?shù)接收狀態(tài)(S4)的同時(shí)重置并啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)，將退出參數(shù)接收狀態(tài)以避免因系統(tǒng)的不穩(wěn)定而進(jìn)入循環(huán)等待。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以Altera公司的Cyclone EPlC6為目標(biāo)器件，在Quartus II4．0環(huán)境下對(duì)上述鍵盤(pán)接口模塊進(jìn)行了編譯與仿真，結(jié)果如圖6所示。

上述編譯結(jié)果表明鍵盤(pán)接口模塊占用很少的邏輯單元(約7％)，便于移植到嵌入式系統(tǒng)中，同時(shí)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)模塊進(jìn)行裁減，實(shí)際所占資源將進(jìn)一步減少。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明鍵盤(pán)的準(zhǔn)確度和靈敏度完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，模塊中掃描碼集、掃描延遲、掃描間隔等參數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)需求靈活地改變，充分滿足了嵌入式系統(tǒng)的使用需求。

參考文獻(xiàn)：

1．任愛(ài)鋒等編著，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，西安電子科技大學(xué)出版社，2004．10

2．姜雪松，可編程邏輯器件和EDA設(shè)計(jì)技術(shù)，張海風(fēng)編著，機(jī)械工業(yè)出版社，2006．1

3．吳繼華，王誠(chéng)編著，Altera FPGA／CPLD設(shè)計(jì)(高級(jí)篇)，人民郵電出版社，2005．7

4．李伯成編著，嵌入式系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社，2006．1