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isp1016實現機載導航系統的鍵盤控制
摘要：介紹了用isp可編程邏輯芯片設計機載導航系統鍵盤控制器的設計要點，給出了接口信號及驅動程序的核心代碼。該設計具有典型性、通用性和實用性，并可用到各種鍵盤控制器中。關鍵詞：鍵盤控制器在線可編程掃描線isp1016
1鍵盤控制器的外部接口信號
無論在任何計算機系統中，鍵盤都是最重要的輸入設備，但是普通鍵盤不能滿足機載要求。筆者在新一代電子航空圖導航系統中，用Lattice公司的ispLSI1016設計了一個4×5鍵盤控制器（以下簡稱KBC），經實際應用，該鍵盤控制器通用性較強。圖1是其鍵盤和顯示器外觀示意圖。
一航情況下，KBC應該是CPU的一個外部I/O設備，它一方面監測各按鈕狀態，另一方面接受CPU的查詢并主動向CPU請求中斷。因此，外部接口信號分CPU接口信號和鍵盤按鈕矩陣狀態信號。圖2為通用KBC外部接口信號示意圖，其定義如下：
*Reset：復位，低有效。該信號有效時將異步復位內部所有寄存器，以對KBC進行初始化；
*CLK：工作時鐘，頻率為100kHz；
*CS：片選，低有效；
*RD：讀信號，低有效；
*A0:片內地址，用于區分片內寄存器；
*INT:中斷請求，高有效。當鍵盤控制器檢測到有效按鍵時，該腳為高，當CPU讀走按鍵編碼時，KBC自動撤銷中斷請求；
*D4～D0：三態數據線；
*SL3～SL0:掃描輸出，按鍵盤矩陣的列線；
*RL4～RL0:回復線，接鍵盤矩陣的行線。
實際上，大部分矩陣鍵盤的行列是可對換的。
2KBC接口寄存器定義及驅動程序
KBC針對CPU接口設計有2個只讀寄存器，即數據寄存器（Dreg）和狀態寄存器（Sreg）。數據寄存器用于保持有效按鍵的編碼值，該編碼值就是按鍵所在的行列；而狀態寄存器則用于保持按鍵的狀態信息，以供CPU查詢。當CPU訪問KBC時（即CS和RD同時有效）,adkA0=0，則訪問數據寄存器，否則訪問狀態寄存器。表1、表2分別是數據寄存器和狀態寄存器的定義。
表1數據寄存器定義
D7D6D5D4D3D2D1D0XXXCol(列值)Row(行值)
表2狀態寄存器定義
D7D6D5D4D3D2D1D0XXX0000
顯然，KBC的編程可以有2種模式，一種是軟件查詢，另一種是中斷驅動。由于本系統采用WindowNT為運行環境，KBC對應用程序透明，所以，將INT請求直接和CPU的某一空閑中斷(IRQ9)相連接，以便使驅動程序能將KBC作為一個設備打開。在初始化加載時，應將對應中斷觸發設置為電平敏感。其VC核心代碼如下：
＃defineSReg0x401//鍵盤狀態寄存器地址
#defineDReg0x400//鍵盤數據寄存器地址
…
BYTESR,Key,Row,Col；
…
SR=inp(SReg)&0x1f;
//讀數據寄存器，低6位有效
Col=Key>>3；
//右移3位，提取按鍵列值
Row=Key&0x07；//提取按鍵行值
}
至此，就可根據Row和Col的值將它翻譯為某一標準鍵，并存入NT鍵盤緩沖區。
3KBC內部邏輯設計
內部控制邏輯設計的關鍵是掌握按鍵識別原理。圖3所示是其鍵盤識別原理圖。設計時，可將按鍵設置在行線、列線的交點上。行線通過上拉電阻接到VCC(+5V)，無按鍵時處于高電平。有按鍵時行線電平狀態由列線決定。所有列線均為高則行線高，任一列線為低則行線低。KBC處理的核心就在于確認某一行線為低時，能定位出對應的列線。
3.1輸出掃描線（SL3..SL0）
在設計輸出掃描線時，可以使用一個2-Bit狀態機Q5[L1..0]來依次輪流使掃描線輸出為低電平。驅動時鐘的周期為640ms，亦即每即掃描線持續640ms的低電平。將狀態機的狀態編碼值和當前周期為低電平的掃描線序號對應起來，即可簡化后續處理。圖4是掃描線輸出波形。注意，無論何種按鍵組合，在任一狀態，有且僅有一個掃描線為低電平，否則后續處理將無法正確識別。
3.2鍵盤編碼
處理回復線（RL4..RL0）時，應該對其中為低電平的行線進行編碼。5個行線需要3-Bit寄存器，記為[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
當KBC確認是有效按鍵后，應把行列編碼值放入緩沖，以供CPU讀取，其邏輯表達如下：
式中，[KSL1,KSL0]是記錄有效按鍵的掃描線編碼，即當時的[QSL1..0]狀態。
3.3CPU的讀操作
CPU讀狀態寄存器時，系統把中斷請求寄存器INT的值送出，而讀數據寄存器時，它將把FIFO緩沖的按鍵值送出，處理CPU讀操作的表達式如下：
[D4..D0].oe=!CS&!RD;//寄存器由三態控制
[D4..D0]=(!A0&[FIFO4..FIFO0])＃//A0=0：送按鍵數據
(A0&[L,L,L,L,INT])；//A0=1；送狀態
INT.ar=!Reset#(!CS&!RD&!A0);//讀數據寄存器時應撤銷中斷
3.4鍵盤處理狀態機
該狀態處理機是KBC處理的核心。圖5是其狀態轉移圖，其驅動時鐘應該比掃描周期快而且應該是它的整數倍。此處采用的80ms時鐘周期是掃描周期的8倍。下面討論其狀態轉移條件。
S0：復位狀態
1.記錄當前掃描周期
2.if若有低電平的回復線thenS1elseS0；
S1:
1.啟動延時（去抖）計數器，延時10.24ms
2.無條件進入下一狀態S2
S2:去抖狀態
if去抖正確thenS3
elseS0
S3:確認狀態
1.將有效鍵值打入FIFO緩沖
2.設置
4改進建議
上述KBC完全可以滿足一般系統對鍵盤的要求，但仍然可以改進以使之更加智能化。例如使CPU能夠對KBC的讀操作和寫入控制字進行適當控制、使KBC可處理組合按鍵和按鍵連擊、增加KBC多字節的緩沖等。上述功能完全可以根據設計者系統和應用程序的要求進行改進。本設計源代碼使用的是ABLE硬件描述語言，對此感興趣的同志可以和作者進行聯系。
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