N+1鍵盤的兩次原理改

孫海童

(江蘇國光信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司， 常州213015)

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孫海童

(江蘇國光信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司， 常州213015)

近年來，經(jīng)常出現(xiàn)計劃在原有硬件基礎(chǔ)上增加新功能，卻發(fā)現(xiàn)單片機的I/O資源不夠用的情況，雖然改為使用N+1方式的鍵盤可以節(jié)省不少口線資源，但理論上的N+1在實際工作中有一定缺陷，不能適應不同的硬件及結(jié)構(gòu)。筆者根據(jù)工作中實際情況兩次改進電路，使之能適應不同的硬件和結(jié)構(gòu)。

N+1鍵盤電路；I/O資源；單片機

引　言

本設(shè)計主要是在原產(chǎn)品硬件基礎(chǔ)上增加新功能，而新的功能會占據(jù)一些I/O資源，經(jīng)過查詢資料,發(fā)現(xiàn)前人做過縮減鍵盤I/O口的工作，借鑒其方法，發(fā)現(xiàn)與預期有差距。不斷比較自己設(shè)計電路與之前電路的不同，發(fā)現(xiàn)細微差別會導致不同預期結(jié)果。根據(jù)項目需要，從原理上改進兩次電路，可達到預期要求。

1　常見N+1鍵盤原理

1.1常見鍵盤介紹

鍵盤輸入作為最常用的輸入設(shè)備仍有其不可替代的作用。鍵盤的結(jié)構(gòu)通常有兩種形式：線性鍵盤和矩陣鍵盤。在不同的場合下，這兩種鍵盤均得到了廣泛的應用。

線性鍵盤由若干個獨立的按鍵組成，每個按鍵的一端與微機的一個I/O口相連，有多少個鍵就要有多少根連線與微機的I/O口相連，因此，只適用于按鍵少的場合。

矩陣鍵盤的按鍵按N行M列排列，每個按鍵占據(jù)行列的一個交點，需要的I/O口數(shù)目是N+M，容許的最大按鍵數(shù)是N×M。顯然，矩陣鍵盤可以減少與微機接口的連線數(shù)，簡化結(jié)構(gòu)，是一般微機常用的鍵盤結(jié)構(gòu)。根據(jù)矩陣鍵盤識鍵和譯鍵方法的不同，矩陣鍵盤又可以分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種：

① 非編碼鍵盤。非編碼鍵盤主要用軟件的方法識鍵和譯鍵，根據(jù)掃描方法的不同，可以分為行掃描法、列掃描法和反轉(zhuǎn)法3種。

② 編碼鍵盤。編碼鍵盤主要用硬件來實現(xiàn)鍵的掃描和識別，通常使用8279專用接口芯片，在硬件上要求較高。

1.2新型N+1鍵盤的硬件和軟件原理實現(xiàn)

有些特殊情況下，在組成一個最小單片機系統(tǒng)的過程中，由于通用的I/O口有限，而又需要大量的按鍵輸入，這就要求一種新的鍵盤結(jié)構(gòu)，即用盡量少的I/O口來實現(xiàn)盡可能多的鍵盤輸入。經(jīng)過分析，實際上用N+1個I/O口，輔以適當?shù)慕涌陔娐罚强梢詫崿F(xiàn)N×N個按鍵的。現(xiàn)以6個端口實現(xiàn)5×5的按鍵為例來描述。

圖1　5×5按鍵矩陣的示意圖

圖1所示為用6個I/O口來實現(xiàn)25個按鍵的示意圖。具體的物理實現(xiàn)電路如圖2所示。

圖2　用6個I/O口實現(xiàn)5×5按鍵矩陣的原理圖

由圖1和圖2可見，硬件部分分為兩塊：一塊是普通鍵盤矩陣，另外一塊是中斷和接口電路，主要由相應數(shù)目的二極管和電阻組成。針對6個I/O口的情況，實現(xiàn)5×5的按鍵矩陣的中斷和接口電路共需要10個二極管、12個電阻和1只三極管。

10個二極管按其在電路中所起的作用可分為兩組：第一組包括D6、D7、D8、D9和D10，用于保證按鍵信息的單一流向；第二組包括D1、D2、D3、D4和D5，它們在電路上對NPN三極管的基極構(gòu)成“或”的邏輯關(guān)系，對單片機進行初始化。除了PORT6(要求其具有中斷功能)以外，其余的I/O口均被置成高電平，這樣當有鍵按下時，三極管的基極由低變高，三極管導通；集電極由高電平跳變成低電平，向單片機發(fā)出中斷信號，從而啟動鍵盤掃描程序。

按鍵的識別主要靠軟件來實現(xiàn)，需要編寫鍵盤掃描程序。為了更好地說明鍵盤掃描的過程，假設(shè)編號為S12的鍵被按下，掃描程序已經(jīng)啟動，掃描的具體過程如表1所列。

鍵盤掃描程序流程圖如圖3所示。應用在實際電路中，在鍵盤按鍵為全金屬接觸的情況下，得到了良好的效果，但在后續(xù)的降低成本工作中發(fā)現(xiàn)此N+1鍵盤存在缺陷。

表1　鍵盤掃描過程

注：Pi為PORT，O為輸出，I為輸入，H為高電平，L為低電平。

圖3　鍵盤掃描程序流程圖

2　N+1鍵盤在實際使用中缺陷及改進

2.1缺陷現(xiàn)象及原因

圖4　鍵盤原理圖

為了降低成本，鍵盤改為導電橡膠按鍵，出現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象，按下鍵后要么出現(xiàn)相應的鍵值，要么出現(xiàn)其他鍵值，后來發(fā)現(xiàn)這些鍵值有規(guī)律，為對角線上的按鍵鍵值。

經(jīng)分析，原因為原鍵盤導電橡膠按鍵有不確定的接觸電阻分壓，且電路圖因含中斷信號放大電路，造成中斷和口線對電壓的靈敏度判斷不一致，所以按鍵偶爾會出現(xiàn)其他鍵值(對角線上鍵值)。

2.2改進辦法

在圖2中將3904去掉，不接VCC，直接接中斷口線，口線接地電阻，這樣中斷和口線的電壓靈敏度判斷一致，中斷改為上升沿觸發(fā)，按鍵不會再有其他鍵值出現(xiàn)。電阻全部變?yōu)?0 kΩ(其他阻值不建議，筆者實驗過有問題)，最終中斷線上電壓比0.8倍基準電壓要高0.1 V，高于0.7倍基準電壓，可以認定為高，中斷由下降沿觸發(fā)改為上升沿觸發(fā)。

3　N+1鍵盤再次遇到的問題及改進

3.1再次遇到的問題

在后續(xù)的開發(fā)工作中想沿用之前改良過的N+1電路，又發(fā)現(xiàn)了新的問題。新的項目中由于成本和歷史原因，CPU必須使用51單片機，而51單片機的中斷必須為低電平觸發(fā)，上述改良的N+1電路完全不起作用。只得重新思考能否再次改良N+1電路(仍舊是導電橡膠按鍵)。

3.2再次改進

經(jīng)過多次反復試驗，在51 MCU電路下，原接地的部分都用20 kΩ接VCC拉高，二極管全部反向。經(jīng)過驗證，此電路可以應用在ARM和任意51單片機類型中，通用性更強，且電壓無論是5 V還是3.3 V均可使用，在筆者的項目產(chǎn)品中已經(jīng)有數(shù)百萬臺產(chǎn)品驗證過。

鍵盤原理圖如圖4所示。

匯編程序略——編者注。

結(jié)　語

經(jīng)過兩次更改后，最新的N+1改進電路可以適應不同種CPU，能夠極大地滿足硬件設(shè)計應用，有效地減少I/O口線資源，增強電路的穩(wěn)定性及實用性，在其應用過程中表現(xiàn)出了獨有的優(yōu)越性，解決了原N+1鍵盤與實際應用不適應問題。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1] 張雪峰， 李榮源， 袁海文.一種用N+1個I/O口實現(xiàn)的N×N矩陣式鍵盤[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2001(11).

Sun Haitong

(Jiangsu Guoguang Electronic Information Technology Co.,Ltd.,Changzhou 213015,China)

In the recent years,it is found that the I/O resources are not enough when increasing the new function on the original hardware.In the paper,the N+1 keyboard system is used to save a lot of port line resources,but the theory of N+1 has some defects in practical work,it can not adapt to all the hardwares and structures.According to the actual situation,the author takes measures twice to improve the circuit to adapt to the different hardwares and structures.

N+1 keyboard circuit;I/O resources;microcontroller

TP29

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(責任編輯：楊迪娜2015-10-22)