基于嵌入式Linux的矩陣鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

O 引 言

隨著以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和軟件技術(shù)為核心的信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)已成為當(dāng)今IT行業(yè)的焦點(diǎn)之一。而在嵌入式系統(tǒng)中，鍵盤(pán)是重要的人機(jī)交互設(shè)備之一。嵌入式Linux是一種開(kāi)放源碼、軟實(shí)時(shí)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)，是開(kāi)發(fā)嵌入式產(chǎn)品的優(yōu)秀操作系統(tǒng)平臺(tái)，是在標(biāo)準(zhǔn)Linux基礎(chǔ)上針對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和裁剪后形成的，因此具有Linux的基本性質(zhì)。在此提出的矩陣鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)方案是以嵌入式Linux和TIOMAP5912處理器為軟硬件平臺(tái)的，在設(shè)計(jì)的嵌入式語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用平臺(tái)中，通過(guò)測(cè)試，表明其具有良好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

l 硬件原理

OMAP5912處理器是由TI應(yīng)用最為廣泛的TMS320C55X DSP內(nèi)核與低功耗、增強(qiáng)型ARM926EJ—S微處理器組成的雙核應(yīng)用處理器。用這樣一種組合方式將2個(gè)處理器整合在1個(gè)芯片后，開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)實(shí)際情況，利用DSP運(yùn)行復(fù)雜度較高的數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)，利用ARM運(yùn)行通信、控制和人機(jī)接口方面的任務(wù)，從而使便攜式設(shè)備在保持良好人機(jī)交互環(huán)境的基礎(chǔ)上，有效地降低功耗。在外設(shè)方面，OMAP5912微處理器支持常用的各種接口，其中通過(guò)MPUIO接口最多可支持8×8的矩陣鍵盤(pán)，系統(tǒng)中采用這個(gè)接口擴(kuò)展了一個(gè)4×5的矩陣鍵盤(pán)。其硬件連接示意圖如圖1所示，其中按鍵行陣列必須提供上拉信號(hào)，列陣列加二極管，防止瞬間電流過(guò)大對(duì)MPUIO口造成沖擊。

按照鍵盤(pán)的構(gòu)造方式人們把鍵盤(pán)劃分為線(xiàn)性鍵盤(pán)和矩陣鍵盤(pán)。其中，線(xiàn)性鍵盤(pán)是指每個(gè)按鍵都占用嵌入式處理器的1個(gè)I/O端口，并通過(guò)這個(gè)I/O端口實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，各個(gè)按鍵之間互不影響。使用這種方案的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠，但是線(xiàn)性鍵盤(pán)對(duì)I/O端口的占用量很大。因此，嵌入式系統(tǒng)中很少采用這種方法。

另外一種矩陣鍵盤(pán)是指當(dāng)按鍵數(shù)量過(guò)多時(shí)，采用矩陣的排列方法，將按鍵設(shè)計(jì)成n行m列的矩陣形式。其中，每個(gè)按鍵占用行和列的1個(gè)交叉點(diǎn)，并且以行和列為單位引出信號(hào)線(xiàn)。這樣只需要占用n+m個(gè)I/O端口，卻可以驅(qū)動(dòng)n×m個(gè)按鍵，大大節(jié)省了對(duì)嵌入式處理器I/O端口的占用，節(jié)省了寶貴的資源。矩陣鍵盤(pán)在減少嵌入式處理器I/O端口占用的問(wèn)題上做出了很大的貢獻(xiàn)，但隨之而來(lái)的問(wèn)題是如何確定矩陣中按鍵的位置，這里采用列掃描法，其思路如下：

在鍵盤(pán)初始化階段，所有的列信號(hào)(KBC)都被設(shè)置輸出為低電平。如果矩陣鍵盤(pán)中的1個(gè)按鍵按下，則相應(yīng)的行信號(hào)和列信號(hào)線(xiàn)短路，行信號(hào)線(xiàn) (KBR)輸入由高電平變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生1個(gè)中斷，然后在驅(qū)動(dòng)的中斷服務(wù)程序中按照表1中的序列逐列掃描列信號(hào)，讀取行信號(hào)的狀態(tài)，根據(jù)讀回來(lái)的行信號(hào)狀態(tài)就可以判斷有那些按鍵按下。

另外，鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)必須解決的一個(gè)問(wèn)題是鍵盤(pán)的抖動(dòng)。在按鍵按下和抬起的過(guò)程中，電壓信號(hào)會(huì)出現(xiàn)很多毛刺，這主要是由于機(jī)械按鍵的彈性作用引起的。盡管觸點(diǎn)看起來(lái)非常穩(wěn)定，而且快速地閉合，但相對(duì)于嵌入式處理器的運(yùn)行速度來(lái)說(shuō)，這種動(dòng)作是比較慢的。這種脈沖在某些按鍵功能設(shè)計(jì)時(shí)，如果處理不當(dāng)可能會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。所以必須對(duì)按鍵信號(hào)進(jìn)行防抖檢測(cè)。按鍵防抖檢測(cè)的核心思想是在嵌入式處理器的幾個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，通過(guò)對(duì)按鍵信號(hào)進(jìn)行多次訪(fǎng)問(wèn)，查看電平狀態(tài)是否保存一致。如果保持一致，則說(shuō)明按鍵狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定;否則，說(shuō)明之前檢測(cè)到的按鍵信號(hào)是抖動(dòng)信號(hào)或外界信號(hào)干擾，系統(tǒng)將不會(huì)對(duì)其進(jìn)行任何處理。

2 嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

在Linux內(nèi)核源代碼中，各種驅(qū)動(dòng)程序的代碼量占據(jù)了整個(gè)Linux代碼的85%。可見(jiàn)，Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)在整個(gè)操作系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。設(shè)備驅(qū)動(dòng)是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口，它們控制著設(shè)備的操作動(dòng)作，并且提供了一組API接口給應(yīng)用程序，使得應(yīng)用程序能夠與這個(gè)設(shè)備互動(dòng)。而且，設(shè)備驅(qū)動(dòng)為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備只是1個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序就可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。在 Linux操作系統(tǒng)中，通常將外圍設(shè)備分為3種類(lèi)型：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

而在Linux操作系統(tǒng)中，還有一類(lèi)設(shè)備被定義為“平臺(tái)設(shè)備”，通常So(System on Chip)系統(tǒng)中集成的獨(dú)立的外設(shè)單元都被當(dāng)作平臺(tái)設(shè)備來(lái)處理，這里把4×5的矩陣鍵盤(pán)也定義為平臺(tái)設(shè)備。所謂的“平臺(tái)設(shè)備”并不是與字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并列的概念，而是Linux系統(tǒng)提供的一種附加手段，例如，鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)，它本身是字符設(shè)備，但也將其歸納為平臺(tái)設(shè)備。

另外，鍵盤(pán)又屬于輸入設(shè)備，Linux內(nèi)核提供了輸入子系統(tǒng)，如鍵盤(pán)、觸摸屏、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備都可以利用輸入子系統(tǒng)的接口函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。輸入子系統(tǒng)由核心層(Input Core)、驅(qū)動(dòng)層和事件處理層(EventHandler)三部分組成。在Linux內(nèi)核中，使用輸入子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸入設(shè)備驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)的核心工作是向系統(tǒng)報(bào)告按鍵、觸摸屏、鼠標(biāo)等輸入事件。而不再需要關(guān)心文件操作接口，因?yàn)檩斎胱酉到y(tǒng)已經(jīng)完成了文件操作接口。通過(guò)輸入子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸入設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)只需要完成以下工作：

(1)在模塊加載函數(shù)中告知輸入子系統(tǒng)輸入設(shè)備可以報(bào)告的事件。例如，可通過(guò)_set_bit(EV_KEY，input_dex，一>evbit)來(lái)告知輸入子系統(tǒng)該設(shè)備可報(bào)告按鍵事件。

(2)在模塊加載函數(shù)中注冊(cè)輸入設(shè)備。注冊(cè)函數(shù)為：int input_register_device(struct input_dev*dev);

(3)當(dāng)有輸入事件發(fā)生時(shí)，如按鍵按下/抬起、觸摸屏被觸摸/抬起/移動(dòng)時(shí)，通過(guò)input_report_xxx()報(bào)告發(fā)生的事件及對(duì)應(yīng)的鍵值、坐標(biāo)等狀態(tài)。主要的事件類(lèi)型包括EV_KEY(按鍵事件)、EV_REL(相對(duì)值，如鼠標(biāo)移動(dòng)，報(bào)告相對(duì)于最后一次位置的偏移)和EV_ABS(絕對(duì)值，如觸摸屏)。用于報(bào)告EV_KEY事件的函數(shù)為：void input_report_key(struct input_dev*dev，un—signed int code，int value);

(4)在模塊卸載函數(shù)中注銷(xiāo)輸入設(shè)備。注銷(xiāo)輸入設(shè)備的函數(shù)為：void input_unregister_device(struct in—put_dev*dev);[!--empirenews.page--]

3 矩陣鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

首先，定義一個(gè)整型數(shù)組osk_keymap[]用來(lái)定義按鍵映射表，把20個(gè)按鍵返回的碼值映射成內(nèi)核中標(biāo)準(zhǔn)的鍵碼，這樣有利于與上層應(yīng)用程序的交互。通過(guò)KEY(col，row，code)宏定義來(lái)實(shí)現(xiàn)映射關(guān)系，如要把第2行第4列的按鍵映射為回車(chē)鍵，則通過(guò) KEY(3，1，KEY_ENTER)便可實(shí)現(xiàn)。其中KEY_ENTER是內(nèi)核中定義的標(biāo)準(zhǔn)的鍵碼。

其次，定義矩陣鍵盤(pán)的設(shè)備結(jié)構(gòu)體omap_kp，其定義如下：

4 矩陣鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)及測(cè)試

首先，實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)的加載和卸載函數(shù)，分別通過(guò)調(diào)用platform_drivet_register()和platform_driV—er_unregister()實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤(pán)作為一個(gè)平臺(tái)設(shè)備的注冊(cè)和注銷(xiāo)。

其次，實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)的探測(cè)和移除函數(shù)。在探測(cè)函數(shù)中，初始化行數(shù)、列數(shù)、中斷號(hào)以及按鍵映射表。然后分配內(nèi)存空間和輸入設(shè)備，初始化 omap_kp這個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)體和輸入設(shè)備結(jié)構(gòu)體input_dev，初始化定時(shí)器，設(shè)置輸入設(shè)備可以報(bào)告的事件類(lèi)型，并注冊(cè)輸入設(shè)備。最后申請(qǐng)中斷，申請(qǐng)中斷成功后，使能中斷。移除函數(shù)則完成相反的工作。

最后，實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)的核心部分，也就是中斷部分。眾所周知，在Linux的中斷處理中分為2部分，分別是頂半部(top half)和底半部(bottom half)。頂半部完成盡可能少的比較緊急的功能，它只是簡(jiǎn)單地讀取寄存器中的中斷狀態(tài)并清除中斷標(biāo)志后就進(jìn)行“登記中斷”的工作。“登記中斷”意味著將底半部處理程序掛到該設(shè)備的底半部執(zhí)行隊(duì)列中去。這樣。頂半部執(zhí)行的速度就會(huì)很快，可以服務(wù)更多的中斷請(qǐng)求。底半部，是實(shí)現(xiàn)中斷處理的真正部分，它來(lái)完成一些延緩的耗時(shí)任務(wù)，首先通過(guò)列掃描法檢測(cè)各個(gè)按鍵狀態(tài)有沒(méi)有變化，若有變化再判斷是哪一列哪一行發(fā)生變化，按鍵的行和列確定以后，通過(guò)鍵值映射表來(lái)查找其有沒(méi)有對(duì)應(yīng)的鍵值;若有則通過(guò)input_report_key()向內(nèi)核報(bào)告按鍵的鍵值;否則，對(duì)應(yīng)的按鍵沒(méi)有定義鍵值，向內(nèi)核報(bào)告為假按鍵 (Spurious Key)。然后，延時(shí)(1/20)Hz再判斷按鍵是否抬起。

驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)完成后，以模塊方式加入到內(nèi)核，并在MiniGui和Qtopia下進(jìn)行了測(cè)試，在Qtopia下測(cè)試結(jié)果如圖2所示，證明矩陣鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)工作正常、有效。

5 結(jié) 語(yǔ)

在此介紹了基于0MAP5912和嵌入式Linux的一種矩陣鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)的工作原理和開(kāi)發(fā)方案。該驅(qū)動(dòng)以靜態(tài)方式加入內(nèi)核后，通過(guò)測(cè)試證明矩陣鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)工作穩(wěn)定、高效，在MiniGui和Qtopia的記事本中，都能正確顯示正確的鍵值，基本上實(shí)現(xiàn)了其功能，并成功地應(yīng)用于所開(kāi)發(fā)的嵌入式語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)中。