基于CPLD的專用鍵盤接口芯片的方案設(shè)計(jì)

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，存在多種形式的外部數(shù)據(jù)輸入接口界面，例如RS-232C串行通信、鍵盤輸入等[1,4] 。其中利用鍵盤接口輸入數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)調(diào)試、數(shù)據(jù)調(diào)整和控制最常用的方法。單片機(jī)的外圍鍵盤擴(kuò)展電路有多種實(shí)現(xiàn)方式，例如直接利用I/O接口線或外接8255A接口芯片，配合適當(dāng)?shù)慕涌诠芾沓绦?，就可以?shí)現(xiàn)外圍鍵盤擴(kuò)展功能。但是，在這些方法中，鍵盤擴(kuò)展電路需要占用單片機(jī)的資源對(duì)按鍵進(jìn)行監(jiān)控和處理，這對(duì)要求高實(shí)時(shí)性處理的單片機(jī)系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。

為了解決這一問題，可以使用專用鍵盤接口芯片(例如Intel8279) [2]來組建鍵盤子系統(tǒng)。然而，這類專用鍵盤接口芯片在使用靈活性方面尚有欠缺，尤其當(dāng)用戶需要實(shí)現(xiàn)某些特定功能時(shí)，其缺點(diǎn)更為明顯。針對(duì)上述問題，本文提出一種利用復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)設(shè)計(jì)技術(shù)[3]實(shí)現(xiàn)專用鍵盤接口芯片的方案。

1 系統(tǒng)原理

圖1是單片機(jī)系統(tǒng)中鍵盤子系統(tǒng)的構(gòu)成原理框圖。其中鍵盤接口芯片KB-CORE是該子系統(tǒng)的核心部分，它應(yīng)具備如下功能：第一，產(chǎn)生按鍵掃描時(shí)序，并進(jìn)行硬件去抖動(dòng)。如果有按鍵按下，實(shí)現(xiàn)按鍵編碼、中斷處理等功能。第二，可以區(qū)分處理數(shù)字鍵和功能鍵。數(shù)字鍵將由接口芯片暫存，而當(dāng)功能鍵被按下時(shí)申請(qǐng)CPU中斷處理；對(duì)多個(gè)按鍵同時(shí)按下，按一定的編碼優(yōu)先級(jí)處理。第三，提供與MCS-51系列單片機(jī)兼容的接口，單片機(jī)可以讀取芯片中保存的數(shù)據(jù)或功能代碼。第四，提供數(shù)據(jù)顯示接口，可以直接驅(qū)動(dòng)4位七段LED數(shù)碼管，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描顯示。
按鍵根據(jù)鍵盤子系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象擬設(shè)置了數(shù)字鍵(0~9)、功能鍵(ROW、COL、DAT)、清零鍵(CLR)共14個(gè)，排成4×4的矩陣，有兩個(gè)未定義。

2 專用鍵盤接口芯片功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述專用鍵盤芯片KB-CORE的功能要求，圖2示出本芯片內(nèi)部應(yīng)有的結(jié)構(gòu)框圖。其工作原理如下：(1)鍵盤掃描控制及編碼電路中內(nèi)含一個(gè)環(huán)形計(jì)數(shù)器。該計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)輸出至KSL [0~3]端作為鍵盤掃描信號(hào)。每當(dāng)掃描信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，鍵盤掃描控制器從KRL[0~3]端讀入某一行按鍵的狀態(tài)信號(hào)。如果沒有按鍵被按下，則掃描下一行；如果有按鍵被按下，則控制器鎖定被掃描行，并延遲約10ms去抖動(dòng)，然后再次掃描被鎖定行以確定按鍵是否誤讀。如果按鍵被證實(shí)按下，則一直等待直至用戶松開該鍵。與此同時(shí)，數(shù)字鍵碼將被保存到先進(jìn)先出存儲(chǔ)器，功能鍵則直接產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)IRQ，通知CPU讀取鍵碼DBO[0~7]。(2)FIFO RAM中數(shù)據(jù)容量為16位。每4位對(duì)應(yīng)一個(gè)字形符，所以七段LED數(shù)碼管需要4位。(3)掃描發(fā)生器一方面產(chǎn)生LED的位選信號(hào)DSL[0~3]，另一方面產(chǎn)生掃描顯示輸出控制電路的位數(shù)據(jù)選通信號(hào)。掃描顯示輸出控制電路根據(jù)位數(shù)據(jù)選通信號(hào)讀取FIFO RAM中相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后送七段譯碼電路輸出DP[0~6]驅(qū)動(dòng)LED顯示屏的段選信號(hào)電極。(4)接口控制電路一方面用來識(shí)別CPU的讀時(shí)序；另一方面用來對(duì)地址信號(hào)線A1A0譯碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出數(shù)據(jù)的選擇。若A0A1="00"，則輸出FIFO RAM中的低字節(jié)數(shù)據(jù)；若A0A1="01"，則輸出FIFO RAM中的高字節(jié)數(shù)據(jù)；若A0A1="10"，則輸出控制數(shù)據(jù)(表明ROW、COL、DAT中哪一個(gè)被按下)；若A0A1="11"，則不輸出FIFO RAM中的任何數(shù)據(jù)。

3 專用鍵盤接口芯片核心部分的狀態(tài)描述與實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)上述專用鍵盤接口芯片功能結(jié)構(gòu)，利用可編程邏輯技術(shù)對(duì)各個(gè)功能塊進(jìn)行邏輯時(shí)序描述和實(shí)現(xiàn)。由于鍵盤掃描控制和去抖的邏輯時(shí)序設(shè)計(jì)較復(fù)雜并具典型性，因此下面將對(duì)鍵盤掃描控制和去抖部分的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行介紹。

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鍵盤掃描時(shí)序的基本原理[4]可以用圖3所示的狀態(tài)圖表示。狀態(tài)圖的輸入變量為RST(復(fù)位)、KEY-PRESS(有按鍵)、TIMER-OVER(去抖動(dòng)延時(shí)結(jié)束)；輸出變量包括EN-SCAN(掃描行轉(zhuǎn)移)、EN-CODED(鍵盤編碼啟動(dòng))、START-TIMER(開啟去抖動(dòng)延時(shí))。從圖3中知道，狀態(tài)S０→S1→S2為按鍵掃描狀態(tài)鏈，狀態(tài)S3→S4→S5為去抖延時(shí)狀態(tài)鏈，狀態(tài)S6為按鍵保持期。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，進(jìn)入啟動(dòng)(S3)去抖延時(shí)狀態(tài)鏈；去抖延時(shí)結(jié)束后(S5)，若按鍵沒有按下則恢復(fù)掃描狀態(tài)鏈(S0)；若按鍵確認(rèn)被按下則進(jìn)入保持期(S6)，并輸出按鍵編碼?維持至按鍵松開。

根據(jù)狀態(tài)圖3和上述的狀態(tài)轉(zhuǎn)移描述，進(jìn)行鍵盤掃描控制電路的設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖4所示。其中H3是6位循環(huán)移位寄存器，由時(shí)鐘CLK觸發(fā)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)移位。移位寄存器的輸出Q0~Q5分別代表鍵盤掃描控制電路的狀態(tài)S0~S6，當(dāng)然它們并非一一對(duì)應(yīng)，但實(shí)現(xiàn)的功能相同。值得一提的是，如果專用鍵盤芯片KB-CORE的外部時(shí)鐘CLK來自單片機(jī)的ALE信號(hào)(如圖1所示)，當(dāng)單片機(jī)時(shí)鐘為6MHz時(shí)，則專用鍵盤芯片KB-CORE的外接時(shí)鐘為1MHz的方波信號(hào)，信號(hào)周期為1μs。如果將該時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過一個(gè)分頻器，使其輸出的信號(hào)周期約為Tclk=1μs×212≈4ms，然后再作為H3的時(shí)鐘信號(hào)。這意味著鍵盤掃描控制電路約4ms掃描一行按鍵。如果H3中的Q2態(tài)沒有被使用，則可以實(shí)現(xiàn)約8ms的去抖動(dòng)延時(shí)。通過這樣的設(shè)計(jì)，可以免除延時(shí)計(jì)數(shù)器，簡(jiǎn)化電路。

4 專用鍵盤接口芯片的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，使用了34個(gè)自定義I/O引腳和PC44封裝的CPLD來實(shí)現(xiàn)專用鍵盤接口芯片KB-CORE。芯片型號(hào)的選擇依據(jù)綜合所需要的宏單元(Macrocells)個(gè)數(shù)決定。如果借助硬件描述語言VHDL[5]對(duì)上述設(shè)計(jì)進(jìn)行描述，綜合結(jié)果需要約140個(gè)宏單元；如果改用原理圖輸入方式，則只需約60個(gè)宏單元。因此選用XC9572芯片可以滿足上述專用鍵盤接口芯片KB-CORE的要求。實(shí)際使用如圖1和圖2所示，操作結(jié)果表明鍵盤接口芯片性能穩(wěn)定。