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ADSP-BF561的嵌入式键盘设计方案分析
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2017-10-24
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1 引言
随着电子信息技术的飞速发展，信息家电和各式各样的移动终端得到越来越广泛的应用。在这些人机交互（ HMI）较频繁的嵌入式系统中，键盘是一种应用昀为广泛的输入设备。由于嵌入式系统具有功耗低、体积小、专用性强等特点，因此嵌入式键盘常常要求具有特殊的工作方式和特定的驱动设计。
本文讨论了基于 ADSP-BF561的非编码矩阵键盘的硬件设计，并详细阐述和分析了键盘驱动程序实现中的关键问题。ADSP-BF561是 Analog Devices Inc.推出的针对多媒体和通信应用方面的一款高性能 DSP产品，具有快速的数据处理能力和丰富的外设接口，已广泛使用在各种网络多媒体应用中。
该键盘设计已应用于一款以 uClinux 2.6和 ADSP-BF561作为软硬件核心的网络视频电话终端产品，在实际应用中表现出较好的稳定性和实时性。
2 硬件设计方案
键盘的结构通常有两种形式：线性键盘和矩阵键盘。在线性键盘中，每个按键都和一个 I/O口连接，资源利用率不高，一般只适用于按键较少的场合。矩阵键盘连接方式利用（N+M）个 I/O口，可以输入 （N×M）个按键开关。根据矩阵键盘识别键值方式的不同，又可分为编码式键盘和非编码键盘两种。
本设计采用非编码矩阵键盘实现。键盘电路由 5根行线和 6根列线组成，共使用 BF561的 11个 GPIO（General purpose I/O port，通用输入输出）口，其接口电路如图 1所示。
图1键盘接口电路图
该矩阵电路的 5个行引脚分别被接到 BF561的 GPIO43-GPIO47端口上，并且这五个端口被配置成输入口，共用一个中断源。同时，将 6根列线分别接到 BF561的GPIO37-GPIO42端口上，配置为输出口。在矩阵键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处都不直接连通，而是通过一个按键加以连接。当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下，由于列线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线（行线）就会被拉低，这样便可以通过 GPIO口产生中断，通知处理器有键按下。
3 键盘驱动的实现
本设计利用 GPIO口来直接扫描矩阵键盘，从而简化了扫描电路的设计，降低了成本，但键盘的消抖、扫描等问题都需由软件来妥善解决。
3.1 按键消抖
当按键被按下或抬起的瞬间，由于触点的弹性作用，会产生机械抖动，一般持续几毫秒到十几毫秒。这种抖动对于用户来说是感觉不到的，但嵌入式系统微处理器的运行速度（即便是采用低速晶振）相对于人的手动动作是非常迅速的（处理器的速度是在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级的）。因此，有可能只按了一次按键，可是处理器却已执行了多次中断的操作。
为了避免将用户的一次按键误当作几次按键来处理，必须要想办法去掉这种抖动。本文通过 uClinux提供的定时器机制，利用定时时间取代传统的忙等方法，提高了系统的性能。当键盘上有键被按下时，键盘中断处理程序被触发，其主要实现流程如下：
static void key_enter_irq（int idx， void *id）
{
关中断；
kbd_Scan_timer.expires = jiffies + 2; //指定定时器到期的时间
add_timer（&kbd_Scan_timer）; //将一个 timer_list对象挂入定时器队列
}
该定时器对象（kbd_Scan_timer）需在模块初始化函数中定义，并指定相应的处理函数。当定时器到期时，内核就执行指定的函数，完成以下一些工作：扫描键盘，得到被按下键的扫描码，查表转换成相应的键值后送入指定缓冲区中，开中断并等待应用程序接收。
3.2 键值扫描
在确定有键被按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。驱动程序中采用扫描法实现按键的确定。由于行线连接在 GPIO的输入口，且共用一个中断输入口，因此，在中断到来时，需要确定被按下的键在哪一行哪一列。
随着电子信息技术的飞速发展，信息家电和各式各样的移动终端得到越来越广泛的应用。在这些人机交互（ HMI）较频繁的嵌入式系统中，键盘是一种应用昀为广泛的输入设备。由于嵌入式系统具有功耗低、体积小、专用性强等特点，因此嵌入式键盘常常要求具有特殊的工作方式和特定的驱动设计。
本文讨论了基于 ADSP-BF561的非编码矩阵键盘的硬件设计，并详细阐述和分析了键盘驱动程序实现中的关键问题。ADSP-BF561是 Analog Devices Inc.推出的针对多媒体和通信应用方面的一款高性能 DSP产品，具有快速的数据处理能力和丰富的外设接口，已广泛使用在各种网络多媒体应用中。
该键盘设计已应用于一款以 uClinux 2.6和 ADSP-BF561作为软硬件核心的网络视频电话终端产品，在实际应用中表现出较好的稳定性和实时性。
2 硬件设计方案
键盘的结构通常有两种形式：线性键盘和矩阵键盘。在线性键盘中，每个按键都和一个 I/O口连接，资源利用率不高，一般只适用于按键较少的场合。矩阵键盘连接方式利用（N+M）个 I/O口，可以输入 （N×M）个按键开关。根据矩阵键盘识别键值方式的不同，又可分为编码式键盘和非编码键盘两种。
本设计采用非编码矩阵键盘实现。键盘电路由 5根行线和 6根列线组成，共使用 BF561的 11个 GPIO（General purpose I/O port，通用输入输出）口，其接口电路如图 1所示。
图1键盘接口电路图
该矩阵电路的 5个行引脚分别被接到 BF561的 GPIO43-GPIO47端口上，并且这五个端口被配置成输入口，共用一个中断源。同时，将 6根列线分别接到 BF561的GPIO37-GPIO42端口上，配置为输出口。在矩阵键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处都不直接连通，而是通过一个按键加以连接。当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下，由于列线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线（行线）就会被拉低，这样便可以通过 GPIO口产生中断，通知处理器有键按下。
3 键盘驱动的实现
本设计利用 GPIO口来直接扫描矩阵键盘，从而简化了扫描电路的设计，降低了成本，但键盘的消抖、扫描等问题都需由软件来妥善解决。
3.1 按键消抖
当按键被按下或抬起的瞬间，由于触点的弹性作用，会产生机械抖动，一般持续几毫秒到十几毫秒。这种抖动对于用户来说是感觉不到的，但嵌入式系统微处理器的运行速度（即便是采用低速晶振）相对于人的手动动作是非常迅速的（处理器的速度是在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级的）。因此，有可能只按了一次按键，可是处理器却已执行了多次中断的操作。
为了避免将用户的一次按键误当作几次按键来处理，必须要想办法去掉这种抖动。本文通过 uClinux提供的定时器机制，利用定时时间取代传统的忙等方法，提高了系统的性能。当键盘上有键被按下时，键盘中断处理程序被触发，其主要实现流程如下：
static void key_enter_irq（int idx， void *id）
{
关中断；
kbd_Scan_timer.expires = jiffies + 2; //指定定时器到期的时间
add_timer（&kbd_Scan_timer）; //将一个 timer_list对象挂入定时器队列
}
该定时器对象（kbd_Scan_timer）需在模块初始化函数中定义，并指定相应的处理函数。当定时器到期时，内核就执行指定的函数，完成以下一些工作：扫描键盘，得到被按下键的扫描码，查表转换成相应的键值后送入指定缓冲区中，开中断并等待应用程序接收。
3.2 键值扫描
在确定有键被按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。驱动程序中采用扫描法实现按键的确定。由于行线连接在 GPIO的输入口，且共用一个中断输入口，因此，在中断到来时，需要确定被按下的键在哪一行哪一列。
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