嵌入式中基于Qt／Embedded的鍵盤接口設(shè)計(jì)

引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，特別是嵌入式處理器運(yùn)算能力的不斷增強(qiáng)，嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于信息家電、移動(dòng)通信、手持信息設(shè)備以及工業(yè)控制等眾多領(lǐng)域。與此同時(shí)，用戶對于嵌入式系統(tǒng)圖形用戶界面的需求也不斷提高。嵌入式Linux作為一種流行的嵌入式系統(tǒng)平臺，它所具備的穩(wěn)定、高效、易裁剪、易移植、硬件支持廣泛等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合其源碼開放的特征，使得Linux在嵌入式操作系統(tǒng)中的地位日益重要。Qt／Embedded是一個(gè)完整的自包含GUI和基于 Linux的嵌入式平臺開發(fā)工具，因其面向?qū)ο蟆⒖缙脚_、界面設(shè)計(jì)更美觀和友好而得到廣泛的應(yīng)用。Qt／Embedded具有客戶／服務(wù)器模型，直接向幀緩沖寫入數(shù)據(jù)，摒棄了X窗口系統(tǒng)，節(jié)省了內(nèi)存。同時(shí)，將外部輸入設(shè)備抽象為鍵盤和鼠標(biāo)輸入事件，底層接口支持鍵盤、GPM鼠標(biāo)、觸摸屏，以及用戶自己定義的設(shè)備等。

1 硬件設(shè)計(jì)

電路采用三星S3C2440處理器，實(shí)現(xiàn)了4×4矩陣鍵盤的輸入。矩陣鍵盤使用了處理器的4個(gè)GPIO和4個(gè)中斷，以中斷方式獲取鍵值，對應(yīng)的中斷引腳分別是EINT3、EINT9、EINT11、EINT13。GPIO引腳與矩陣鍵盤的行相連接作為輸入端，中斷引腳與矩陣鍵盤的列相連作為矩陣鍵盤的輸出端。開始時(shí)GPIO端輸出為低電平，當(dāng)有按鍵被按下時(shí)，按鍵所在列輸出低電平產(chǎn)生中斷，這時(shí)可以判斷按鍵所在的列。然后向每一行依次輸入高電平，如果列的輸出端由低電平變成高電平，則可以確定按鍵所在的行，這時(shí)鍵值被唯一鎖定。具體電路如圖1所示。

2 LinuX下鍵盤接口驅(qū)動(dòng)

鍵盤設(shè)備屬于字符設(shè)備，鍵盤驅(qū)動(dòng)應(yīng)該符合字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的編寫模式。Linux采用內(nèi)核模塊機(jī)制，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候驅(qū)動(dòng)程序可以以模塊的形式動(dòng)態(tài)地加載和卸載，既方便了驅(qū)動(dòng)的調(diào)試，又縮短了開發(fā)周期。在驅(qū)動(dòng)中必須實(shí)現(xiàn)static int_init my_kb_init(void)函數(shù)和stat-
ic void_exit my_kb_exit(void)函數(shù)。static int_init my_kb_init(void)函數(shù)在內(nèi)核加載鍵盤驅(qū)動(dòng)時(shí)被調(diào)用，注冊模塊為以后調(diào)用模塊函數(shù)預(yù)先做準(zhǔn)備，同時(shí)完成字符設(shè)備的注冊，分配主設(shè)備號，設(shè)置中斷類型，安裝中斷函數(shù)，并且將所有中斷禁止。static void_exit my_kb_ exit(void)函數(shù)在卸載模塊時(shí)被調(diào)用，用于撤銷初始化函數(shù)所做的一切，否則在系統(tǒng)重新引導(dǎo)之前一些東西會(huì)殘留在系統(tǒng)中，導(dǎo)致模塊重新加載失敗。

鍵盤驅(qū)動(dòng)中主要包括以下幾個(gè)子模塊：中斷處理子模塊、鍵盤掃描子模塊、消抖處理和組合鍵子模塊、重復(fù)按鍵子模塊等。驅(qū)動(dòng)工作流程如圖2所示。

按鍵的識別主要是在中斷處理子模塊中完成的。當(dāng)系統(tǒng)有按鍵被按下時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序先關(guān)掉中斷，然后掃描鍵盤，確定哪個(gè)鍵按下，鍵盤按下和抬起都有中斷發(fā)生，這樣可以為用戶提供按下和抬起標(biāo)志，以判斷按鍵是單鍵按下還是多鍵齊按。在消抖處理和組合鍵子模塊中，加入Linux內(nèi)核定時(shí)器，鍵盤定時(shí)掃描，消除抖動(dòng)得到穩(wěn)定鍵值。重復(fù)按鍵子模塊是根據(jù)Linux內(nèi)部的定時(shí)器，設(shè)置自動(dòng)重復(fù)開始延時(shí)和自動(dòng)重復(fù)延時(shí)，鍵盤按下后根據(jù)延時(shí)來完成按鍵事件，鍵值存入隊(duì)列供應(yīng)用程序讀取。

3 Qt／Embedded鍵盤輸入策略

3．1 Qt／Embedded架構(gòu)簡介

Qt／Embedded Linux應(yīng)用程序需要一個(gè)正在運(yùn)行著的服務(wù)器應(yīng)用或者是本身就是一個(gè)服務(wù)器應(yīng)用程序。任何一個(gè)Qt／Embedded Linux應(yīng)用程序都可以扮演服務(wù)器的角色。當(dāng)多于一個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行的時(shí)候，應(yīng)用程序作為客戶端與服務(wù)器程序相連接。

服務(wù)器進(jìn)程和客戶端進(jìn)程有不同的分工：服務(wù)器進(jìn)程管理著鼠標(biāo)指針的處理、字符的輸入和屏幕的輸出。另外服務(wù)器還控制著屏幕光標(biāo)的輸出和屏幕保護(hù)程序?？蛻舳诉M(jìn)程完成所有應(yīng)用程序的具體操作。一個(gè)QWSServer類的實(shí)例代表一個(gè)服務(wù)器應(yīng)用，一個(gè)QWSClient類的實(shí)例代表著一個(gè)客戶端應(yīng)用。每一方面都有一些類完成各種操作。

所有系統(tǒng)產(chǎn)生的事件包括鍵盤事件和鼠標(biāo)事件都被傳遞到服務(wù)器應(yīng)用中，然后服務(wù)器將這些事件分發(fā)到客戶端應(yīng)用中。

3．2 客戶端／服務(wù)器的通信

如圖3所示，正在運(yùn)行著的程序通過增加和刪除窗口不斷地改變屏幕的顯示。服務(wù)器在對應(yīng)的QWSWindow對象中維護(hù)著每一個(gè)頂層窗口的信息。每當(dāng)服務(wù)器接收到一個(gè)事件時(shí)，它都會(huì)查詢它的頂層窗口列表找到包含該事件位置的窗口。每一個(gè)窗口都有一個(gè)創(chuàng)建它們的客戶端應(yīng)用的ID，將這個(gè)ID返回給服務(wù)器。最后服務(wù)器將這個(gè)事件封裝成一個(gè)QWSEvent類的實(shí)例，傳遞給相應(yīng)的客戶端。

另外還可以通過QWSServer：：KeyboardFilter類實(shí)現(xiàn)按鍵事件的全局的底層過濾器。這種方法可以實(shí)現(xiàn)電源管理中的一鍵掛起，而不用在所有的應(yīng)用程序中都對這個(gè)按鍵事件進(jìn)行過濾。

如圖4所示，服務(wù)器通過UNIX域套接字與客戶端進(jìn)行通信?？蛻舳藦姆?wù)器接收事件，這些事件通過重新實(shí)現(xiàn)QApplication的qwsEvent-Filter()函數(shù)可以被直接檢索訪問。

客戶端相互之間(和服務(wù)器)通過QCopChannel類通信。QCOP用于在多個(gè)通道間傳送信息，是一個(gè)多對多的通信協(xié)議。每個(gè)通道用名字作為識別 ID，任何一個(gè)想要和它通信的通道都能監(jiān)聽它。QCOP協(xié)議既允許在相同的地址空間內(nèi)的客戶端之間進(jìn)行通信，也允許在不同的進(jìn)程的客戶端之間進(jìn)行通信。

3．3 字符輸入層

如圖5所示，當(dāng)一個(gè)服務(wù)器應(yīng)用程序開始運(yùn)行時(shí)使用Qt的插件系統(tǒng)加載鍵盤驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)是一個(gè)QWSKeyboardHandler類的實(shí)例。

鍵盤驅(qū)動(dòng)從設(shè)備接收鍵盤事件，并把事件封裝成一個(gè)QWSEvent類的實(shí)例，然后把這個(gè)類傳送給服務(wù)器。定制鍵盤可以通過子類QWSKeybo- ardHandler類創(chuàng)建一個(gè)鍵盤驅(qū)動(dòng)插件來實(shí)現(xiàn)。默認(rèn)的QKbdDriverFactory類將自動(dòng)檢測到這個(gè)插件然后把驅(qū)動(dòng)加載到正在運(yùn)行的服務(wù)器應(yīng)用中。

4 鍵盤驅(qū)動(dòng)插件的實(shí)現(xiàn)

本文通過Qt的插件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了矩陣鍵盤的接口驅(qū)動(dòng)。插件是一種遵循一定規(guī)范的應(yīng)用程序接口編寫出來的程序。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)語言中，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，常常要面臨著適應(yīng)這樣那樣的未知需求的挑戰(zhàn)，為了使程序設(shè)計(jì)語言具有良好的可擴(kuò)展性，使之能夠適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，同時(shí)也出于降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性的考慮，采用插件機(jī)制是一個(gè)很不錯(cuò)的方法。通過采用插件系統(tǒng)，把擴(kuò)展功能從框架中剝離出來，可以降低框架的復(fù)雜度，讓框架更容易實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)展功能與框架之間以一種松耦合的方式集成，允許在保持接口不變的情況下，實(shí)現(xiàn)彼此的獨(dú)立變化。

Qt提供了兩種插件：一種是高層的插件，用來擴(kuò)展Qt自身，如自定義數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)、圖像格式、文本編解碼器、自定義風(fēng)格等；一種是底層的插件，用來擴(kuò)展Qt應(yīng)用程序。

一個(gè)鍵盤插件的實(shí)現(xiàn)，通常至少需要兩個(gè)類：一個(gè)是插件封裝器類，它實(shí)現(xiàn)了插件的通用API函數(shù)；另外一個(gè)是一個(gè)或多個(gè)處理器類，每個(gè)處理器類都實(shí)現(xiàn)了一種用于特殊類型插件的API。通過封裝器類才能訪問這些處理器類。下面是具體的實(shí)現(xiàn)過程：

首先要實(shí)現(xiàn)一個(gè)自己的MyKeyDriverPlugin類，這個(gè)類繼承了QKbdDriverPlugin類，需要重新實(shí)現(xiàn)QKbdDriverPlugin：：keys()函數(shù)和QKbdDriverPlugin：：create()函數(shù)。

keys()函數(shù)返回一個(gè)鍵盤插件的鍵值，這個(gè)鍵值不能和其他的鍵值相沖突。create()函數(shù)返回一個(gè)給定鍵值的QWSKeyboardHandler派生類的實(shí)例。

在．cpp文件的最后，必須添加一個(gè)下面這樣的宏：Q_EXPORT_PLUGIN2(keyboard，MyKeyDriverPlugin)

第一個(gè)參數(shù)項(xiàng)是目標(biāo)庫名字去除任意擴(kuò)展符、前綴或者版本號之后的基本名。第二個(gè)參數(shù)則是插件的類名。

第二個(gè)要實(shí)現(xiàn)的類是處理類MyKeyboardHandler，這個(gè)類需要繼承QWSKeyboardHandler類。當(dāng)鍵盤驅(qū)動(dòng)捕獲到鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過套接字監(jiān)聽鍵盤信息，并在MykeyboardHandler：：readKbdData()中對捕捉到的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并封裝，然后向服務(wù)器端發(fā)送鍵盤事件。

①打開鍵盤設(shè)備并初始化，一般調(diào)用open()函數(shù)。

②監(jiān)控鍵盤設(shè)備，調(diào)用QScoketNotifier監(jiān)控鍵盤設(shè)備kbdFd。

③發(fā)生鍵盤事件時(shí)讀取鍵盤事件，讀取鍵盤事件后將鍵值、按下等信息翻譯成Qt內(nèi)部鍵盤事件的格式，并通過調(diào)用processKeyEvent將事件分發(fā)出去。

5 鍵盤插件在應(yīng)用程序中的使用

將鍵盤插件編譯后生成一個(gè)libkeyboard．so的動(dòng)態(tài)庫，這個(gè)動(dòng)態(tài)庫的名字是由Q_EXPORT_PLUGIN2宏的第一個(gè)參數(shù)決定的。派生插件默認(rèn)存儲(chǔ)在標(biāo)準(zhǔn)插件目錄下的子目錄中，如果它們沒有存儲(chǔ)在正確的目錄下Qt不會(huì)找到這些插件，所以要在使用的文件系統(tǒng)中創(chuàng)建Qt的標(biāo)準(zhǔn)插件目錄。

要想應(yīng)用程序在啟動(dòng)的時(shí)候能夠正確加載鍵盤插件還要設(shè)置嵌入式Linux系統(tǒng)中的環(huán)境變量：

QWS_KEYBOARD=MyKeyHandler：／dev／kbd

MyKeyHandler對應(yīng)著key()函數(shù)中的鍵值，kbd是在／dev文件夾下的鍵盤設(shè)備文件。Qt應(yīng)用程序開始運(yùn)行后要根據(jù) QWS_KEYBOARD這個(gè)環(huán)境變量創(chuàng)建一個(gè)MyKeyboardHandler類。窗口部件響應(yīng)服務(wù)器分發(fā)的鍵盤事件還要重新實(shí)現(xiàn)如下函數(shù)。