基于CPLD的鍵盤控制器設(shè)計(jì)

由于CPLD的可再編程性質(zhì)，可以將同一裝置用于不同的鍵盤和產(chǎn)品，而收到高產(chǎn)量、低成本的效果，同時(shí)也節(jié)約了單片機(jī)的資源以做它用?？稍倬幊痰奶攸c(diǎn)輔之簡便易用的設(shè)計(jì)工具，使設(shè)計(jì)可以進(jìn)行晚期更改，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性，降低了風(fēng)險(xiǎn)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，利用鍵盤接口輸入數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)調(diào)試、數(shù)據(jù)調(diào)整和各種參數(shù)設(shè)置最常用的方法。單片機(jī)的外圍鍵盤擴(kuò)展電路有多種實(shí)現(xiàn)方式，例如直接利用單片機(jī)的I／O接口，或者采用8255A接口芯片，就可以實(shí)現(xiàn)外圍鍵盤的擴(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)是不容易實(shí)現(xiàn)的。為了解決這一問題，可以使用專用鍵盤接口芯片來擴(kuò)展鍵盤子系統(tǒng)。但是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，在此提出一種基于Lattice公司LC4128V的4×4鍵盤接口芯片設(shè)計(jì)。采用的軟件開發(fā)環(huán)境是IspLEVER。

l 開發(fā)環(huán)境介紹
??? IspLEVER是Lattice公司最新推出的一套EDA軟件。設(shè)計(jì)輸入可采用原理圖、硬件描述語言、混合輸入3種方式，它能對(duì)所設(shè)計(jì)的數(shù)字電子系統(tǒng)進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真。編譯器是此軟件的核心，能進(jìn)行邏輯優(yōu)化，將邏輯映射到器件中去，自動(dòng)完成布局與布線，并生成編程所需要的熔絲圖文件。軟件中的Constraints Editor工具允許經(jīng)由一個(gè)圖形用戶接口選擇I／O設(shè)置和引腳分配。lspLEVER軟件提供給開發(fā)者一個(gè)簡單而有力的工具，用于設(shè)計(jì)所有Lattice可編程邏輯產(chǎn)品。

2 鍵盤控制器設(shè)計(jì)
2．1 基于LC4128V的4×4鍵盤控制器設(shè)計(jì)
??? 圖1給出基于Lattice公司的可編程邏輯器件LC4128V的4×4鍵盤控制器(KEYPADcTL)設(shè)計(jì)。

根據(jù)鍵盤的掃描原理，鍵盤控制器的輸出引腳R1～R4(行掃描線)依次循環(huán)輸出低電平，并將相應(yīng)的鍵盤行置低。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，相應(yīng)的輸入c1～c4(列回復(fù)線)也被置低。然后根據(jù)行和列的低電平對(duì)應(yīng)關(guān)系就可以通過編碼確定按下的鍵值。輸出K0～K3就是最終等待單片機(jī)讀取的鍵值。INT輸出單片機(jī)的中斷信號(hào)，通知單片機(jī)來讀取鍵值。CLK是控制器的時(shí)鐘信號(hào)，cLR是控制器的清零復(fù)位信號(hào)。
2．2 內(nèi)部原理圖及其主要部分的工作原理
??? 鍵盤控制器內(nèi)部由鍵盤掃描電路、編碼器電路、鍵盤去抖動(dòng)電路、分頻器電路、計(jì)數(shù)器電路和鍵值鎖存器組成，如圖2所示。

(1)鍵盤掃描電路是一個(gè)能自啟動(dòng)到所需要狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)上電并同時(shí)輸入一個(gè)有效的復(fù)位清零信號(hào)CLR后，掃描電路輸出端R1～R4(L1～L4)則依次按照設(shè)計(jì)要求循環(huán)輸出以下掃描電平1110，1101，1011，0111。L1～L4作為編碼器的輸入，通過與列回復(fù)線(C1～C4)的對(duì)應(yīng)關(guān)系參與編碼。然而R1～R4是將L1～L4加上高電平使能三態(tài)門輸出的鍵盤行掃描線。將行掃描線加上三態(tài)門輸出，是為了防止當(dāng)一列上的2個(gè)或更多按鍵被同時(shí)按下時(shí)，將使LC4128V的引腳高低電平短接，如果這種情況發(fā)生，不但影響鍵盤控制器的準(zhǔn)確性，更嚴(yán)重的是會(huì)燒壞可編程邏輯器件LC4128V，所以該控制器通過三態(tài)門輸出行掃描線。三態(tài)門的使能信號(hào)就是其通過的信號(hào)取反，這樣輸出的高電平將為高阻狀態(tài)。通過對(duì)鍵盤的行線分別接個(gè)上拉電阻便可得到與L1～L4一樣的輸出信號(hào)。

通過這樣的處理既滿足設(shè)計(jì)的需要，又起到對(duì)器件保護(hù)的作用。EN是掃描電路的使能輸入端，高電平有效。它通過去抖動(dòng)后的列回復(fù)線相與得到。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，相應(yīng)的列線將被置低。相與的結(jié)果為低，這使掃描電路停止掃描，等待控制器對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的鍵值送入鍵值鎖存器，等待單片機(jī)讀取。這樣做的好處是可防止控制器漏掉按鍵的讀取。根據(jù)調(diào)試得知，鍵盤掃描時(shí)鐘信號(hào)最好是去抖電路時(shí)鐘的四分頻以上。所以CLK是通過對(duì)去抖電路的時(shí)鐘進(jìn)行分頻得到的。圖3給出實(shí)現(xiàn)掃描電路的具體原理圖。

(2)該設(shè)計(jì)中采用4×4的鍵盤，有16個(gè)按鍵狀態(tài)，再加上一個(gè)沒有鍵按下的狀態(tài)共有17個(gè)狀態(tài)，而4位二進(jìn)制數(shù)只能表示16個(gè)狀態(tài)。為了解決這個(gè)問題，將R4和L4或非后再與計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的中斷信號(hào)相或，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)中斷。當(dāng)按下最后一個(gè)鍵時(shí)，鍵盤控制器便產(chǎn)生1個(gè)中斷，讓單片機(jī)來讀取這個(gè)按鍵值0000(在沒有鍵按下時(shí)也是這個(gè)狀態(tài))，從而區(qū)分了無按鍵狀態(tài)和最后一個(gè)按鍵按下的狀態(tài)。這樣在編碼的時(shí)候只需考慮前15個(gè)鍵的狀態(tài)信息。最終可用4位二進(jìn)制數(shù)表示所有按鍵狀態(tài)。圖4給出實(shí)現(xiàn)編碼器的具體原理圖。

?(3)鍵盤去抖動(dòng)電路主要由2個(gè)DQ觸發(fā)器和1個(gè)基本RS觸發(fā)器組成。當(dāng)有鍵按下時(shí)，理想情況下相應(yīng)的列線應(yīng)該是一直保持低電平。
??? 但是實(shí)際應(yīng)用中不可避免地產(chǎn)生抖動(dòng)，此時(shí)列回復(fù)線將發(fā)生長短不等的高電平跳躍現(xiàn)象。鍵盤去抖電路就是去除這樣抖動(dòng)的高電平對(duì)按鍵鍵值檢測帶來的干擾。為了消除這樣的干擾，去抖電路采用兩級(jí)延時(shí)策略。
??? 只要抖動(dòng)的高電平持續(xù)時(shí)間在去抖電路的2個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)，這種抖動(dòng)是不會(huì)被引進(jìn)編碼電路的。鍵盤去抖電路的具體原理圖實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及分析
3．1 掃描電路的輸出仿真波形
??? 鍵盤控制器掃描電路的輸出仿真波形如圖6所示。在圖6中掃描電路的輸出端依次循環(huán)輸出低電平來掃描鍵盤的每一行，圖中L1～L4是沒有加三態(tài)門的掃描器輸出，其作為編碼電路的輸入，R1～R4是加三態(tài)門的輸出波形，從圖3中可以看出當(dāng)L1～L4的輸出是高電平時(shí)，R1～R4的輸出狀態(tài)是高阻。

當(dāng)同一列上的2個(gè)按鍵同時(shí)按下時(shí)，就可以避免在可編程邏輯器件LC4128V的兩個(gè)引腳上發(fā)生高低電平短接的非法情況。
3．2 編碼器的仿真波形
??? 編碼器的仿真波形如圖7所示。

?在圖7中，當(dāng)鍵盤的第一行掃描電平為低時(shí)，根據(jù)4×4鍵盤的掃描原理，只有當(dāng)?shù)谝涣械牡谝粋€(gè)鍵被按下時(shí)，C1才能為低。相應(yīng)的編碼電路輸出K3K2K1KO值為0001。只有當(dāng)?shù)诙械牡谝粋€(gè)鍵被按下時(shí)，C2才能為低，此時(shí)K3K2K1K0值為0010。同理，當(dāng)C3，C4分別為低時(shí)，K3K2K1K0值依次為0011，0100。依此方式編碼便可得到前15個(gè)按鍵的鍵值，而第16個(gè)按鍵的鍵值就要通過R4和L4相或非后產(chǎn)生單片機(jī)中斷信號(hào)，通知單片機(jī)來讀取它的鍵值0000。
3．3去抖動(dòng)電路的仿真波形
??? 去抖動(dòng)電路的仿真波形如圖8所示。

在圖8中，當(dāng)按鍵過程中發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，經(jīng)過去抖動(dòng)電路處理，DELYOUTl一直保持低電平?？梢姡秳?dòng)對(duì)鍵值的讀取并不產(chǎn)生影響。
3．4 鍵盤控制器的整體仿真波形
??? 鍵盤控制器的整體仿真波形如圖9所示。