基于ADSP-BF561的嵌入式鍵盤設(shè)計(jì)

1 引言

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(dòng)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(dòng)設(shè)計(jì)。

本文討論了基于 ADSP-BF561的非編碼矩陣鍵盤的硬件設(shè)計(jì)，并詳細(xì)闡述和分析了鍵盤驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)中的關(guān)鍵問題。ADSP-BF561是 Analog Devices Inc.推出的針對(duì)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(jì)已應(yīng)用于一款以 uClinux 2.6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(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

2 硬件設(shè)計(jì)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(gè)按鍵都和一個(gè) I/O口連接，資源利用率不高，一般只適用于按鍵較少的場(chǎng)合。矩陣鍵盤連接方式利用(N+M)個(gè) I/O口，可以輸入 (N×M)個(gè)按鍵開關(guān)。根據(jù)矩陣鍵盤識(shí)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(jì)采用非編碼矩陣鍵盤實(shí)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(gè) GPIO（General purpose I/O port，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(gè)行引腳分別被接到 BF561的 GPIO43-GPIO47端口上，并且這五個(gè)端口被配置成輸入口，共用一個(gè)中斷源。同時(shí)，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(gè)按鍵加以連接。當(dāng)按鍵沒有按下時(shí)，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(huì)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(dòng)的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)利用 GPIO口來直接掃描矩陣鍵盤，從而簡(jiǎn)化了掃描電路的設(shè)計(jì)，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(huì)產(chǎn)生機(jī)械抖動(dòng)，一般持續(xù)幾毫秒到十幾毫秒。這種抖動(dòng)對(duì)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(duì)于人的手動(dòng)動(dòng)作是非常迅速的（處理器的速度是在微秒級(jí)，而機(jī)械抖動(dòng)的時(shí)間至少是毫秒級(jí)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(dòng)。本文通過 uClinux提供的定時(shí)器機(jī)制，利用定時(shí)時(shí)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(shí)，鍵盤中斷處理程序被觸發(fā)，其主要實(shí)現(xiàn)流程如下：

static void key_enter_irq(int idx, void *id)
{
關(guān)中斷；
kbd_Scan_timer.expires = jiffies + 2; //指定定時(shí)器到期的時(shí)間
add_timer(kbd_Scan_timer); //將一個(gè) timer_list對(duì)象掛入定時(shí)器隊(duì)列
}

該定時(shí)器對(duì)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(shí)器到期時(shí)，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(dòng)程序中采用掃描法實(shí)現(xiàn)按鍵的確定。由于行線連接在 GPIO的輸入口，且共用一個(gè)中斷輸入口，因此，在中斷到來時(shí)，需要確定被按下的鍵在哪一行哪一列。

具體實(shí)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(shí)，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(cè)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(gè)掃描碼，然后可采用計(jì)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(gè)緩沖區(qū)中，直到應(yīng)用程序處理按鍵為止。緩沖是一個(gè)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(shí)處理它們時(shí)，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(gè)環(huán)形隊(duì)列來管理。

環(huán)形緩沖區(qū)通常有一個(gè)讀指針和一個(gè)寫指針（如圖 3所示）。通過移動(dòng)讀指針和寫指針就可以實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取和寫入。當(dāng)一個(gè)按鍵被按下時(shí)，鍵值將被放置在環(huán)形隊(duì)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(gè)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(huì)在一個(gè)循環(huán)中對(duì)每個(gè)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(gè)設(shè)備的等待隊(duì)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(shí)將再次循環(huán)檢測(cè)是否有操作可以進(jìn)行，如此反復(fù)；否則，若有任意一個(gè)設(shè)備就緒，select都立即返回。

poll 函數(shù)中利用等待隊(duì)列，實(shí)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(gè)信號(hào)量，用于實(shí)現(xiàn)同步和互斥：

static DECLARE_MUTEX(mutex_sem); /*定義用于互斥的信號(hào)量，初值為1*/
/*定義控制驅(qū)動(dòng)程序?qū)懢彌_區(qū)的信號(hào)量，初值為 KEYBUF_SIZE-1，表示緩沖區(qū)中的空位
數(shù) */
struct semaphore empty_sem;
sema_init (＆empty_sem, KEYBUF_SIZE-1);
驅(qū)動(dòng)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(qǐng)互斥信號(hào)量，保證對(duì)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?br />char_buf_write =( char_buf_write +1) mod KEYBUF_SIZE；//修改寫指針
up(mutex_sem); //釋放互斥信號(hào)量
wake_up(key_wait); //喚醒等待隊(duì)列中的進(jìn)程
應(yīng)用程序讀緩沖區(qū)過程的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)偽代碼如下：
down(mutex_sem)； //申請(qǐng)互斥信號(hào)量，保證對(duì)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) mod KEYBUF_SIZE；//修改讀指針
up(mutex_sem); //釋放互斥信號(hào)量

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)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(jiǎn)化了掃描電路的設(shè)計(jì)，降低了成本；軟件實(shí)現(xiàn)上，利用定時(shí)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(duì)列和信號(hào)量實(shí)現(xiàn)緩沖的同步操作。

目前，此設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用于一款網(wǎng)絡(luò)視頻電話終端，測(cè)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(shí)時(shí)性。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本設(shè)計(jì)利用定時(shí)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(duì)列和信號(hào)量實(shí)現(xiàn)緩沖的安全同步。