基于ARM的矩陣鍵盤設(shè)計(jì)及其linux驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

1.引言

ARM微處理器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。矩陣鍵盤是一種常用的鍵盤形式，它將按鍵設(shè)計(jì)成M行N列，這樣共需M+N根信號(hào)線，卻可驅(qū)動(dòng)M×N個(gè)按鍵，大大節(jié)約了I/O資源。本文介紹了一種利用TQ2440開發(fā)板的GPIO口擴(kuò)展5×4矩陣鍵盤的方法，并將所有按鍵重新布局成手持終端的鍵盤形式，方便操作。

2.硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)擴(kuò)展5行4列的矩陣鍵盤，如圖1所示。其中行線ROW1-ROW5連接S3C2440的中斷引腳EINT8,EINT9,EINT11,EINT13,EINT14[1].這些中斷引腳本身連有10kΩ的上拉電阻，把中斷引腳電平拉高，確保按鍵空閑時(shí)不會(huì)觸發(fā)中斷。列線COL1-COL4連接S3C2440的普通I/O口GPF3,GPF4,GPG7,GPG10.這里需要注意的問題是：確保行線所用的中斷在Linux的其他設(shè)備中均未使用到，否則會(huì)引起該驅(qū)動(dòng)程序或其他驅(qū)動(dòng)程序初始化失敗。

考慮到手持終端設(shè)備按鍵的常用性與操作的方便性，只取矩陣鍵盤的前18鍵，并將它們重新布局為圖2的形式。其中Ent鍵具有二重功能，即確認(rèn)功能(短按)和開關(guān)機(jī)功能(長(zhǎng)按)，此功能將在驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)。

3.矩陣鍵盤的Linux驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

3.1 鍵盤驅(qū)動(dòng)總體概述

驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件設(shè)備之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，使應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣操作硬件設(shè)備[2].驅(qū)動(dòng)程序沒有main函數(shù)，它以一個(gè)模塊初始化函數(shù)作為入口，并且它完成初始化之后不再運(yùn)行，等待系統(tǒng)調(diào)用。

驅(qū)動(dòng)程序是linux內(nèi)核的一部分，所以在程序編寫上要采用linux的表達(dá)方式。首先將列I/O端口定義為數(shù)組：col_table [] ={ S3C2410_GPF3,S3C2410_GPF4, …},行I/O端口定義為結(jié)構(gòu)型：

button_irqs [] ={ {IRQ_EINT8,S3C2410_GPG0,S3C2410_GPG0_EINT8, 0,“R1″},

{IRQ_EINT9,S3C2410_GPG1,S3C2410_GPG1_EINT9, 1,”R2″},

…}.//中斷號(hào)(irq)，引腳(pin)，引腳設(shè)置，序號(hào)，名稱

矩陣鍵盤是作為L(zhǎng)inux的一個(gè)字符設(shè)備注冊(cè)到系統(tǒng)中的。我們首先向系統(tǒng)注冊(cè)矩陣鍵盤設(shè)備，包括設(shè)備號(hào)，設(shè)備名及file_operations結(jié)構(gòu)體;file_operations結(jié)構(gòu)體的成員函數(shù)是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的主體內(nèi)容，這些函數(shù)實(shí)際會(huì)在應(yīng)用程序進(jìn)行Linux的open()、write()、read()、close()等系統(tǒng)調(diào)用時(shí)最終被調(diào)用[3].用戶對(duì)鍵盤沒有寫操作，其file_operations結(jié)構(gòu)體的成員函數(shù)為open()、read()、close()、poll()。

中斷的注冊(cè)和行列初始化在打開鍵盤時(shí)(即open()函數(shù)中)實(shí)現(xiàn)。注冊(cè)中斷包括：中斷號(hào)，中斷入口程序，中斷方式，中斷名和代號(hào)。關(guān)鍵語(yǔ)句為：request_irq(button_irqs[i].irq,buttons_interrupt,IRQ_TYPE_EDGE_FALLING,button_irqs[i].name,(void*)&button_irqs[i])。IRQ_TYPE_EDGE_FALLING意思為下降沿觸發(fā)。然后再進(jìn)行行列初始化：設(shè)置行線為中斷，使能上拉，在linux中其表達(dá)方式為：

s3c2410_gpio_cfgpin(button_irqs[i].

pin,S3C2410_GPIO_SFN2); //設(shè)置第i行引腳為中斷

s3c2410_gpio_pullup(button_irqs[i].

pin,1); //第i行引腳上拉

設(shè)置列線為輸出，置低電平。語(yǔ)句表達(dá)同理，由于篇幅所限，這里不再一一列出。read()函數(shù)實(shí)現(xiàn)從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)。該函數(shù)實(shí)現(xiàn)無按鍵按下時(shí)程序進(jìn)入休眠，關(guān)鍵代碼：

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq); //生成一個(gè)等待隊(duì)列頭隊(duì)列，名為button_waitq

static volatile int ev_press = 0;//置1,表示有鍵按下

ev_press為0時(shí)執(zhí)行語(yǔ)句：wait_event_interruptible(button_waitq,ev_press)，程序即進(jìn)入休眠。ev_press為1時(shí)把數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間，關(guān)鍵語(yǔ)句：

copy_to_user(buff,(const void *)key_values,min(sizeof(key_values)，count));//buff為用戶空間的指針，key_values為內(nèi)核空間指針，最后一個(gè)參數(shù)為從內(nèi)核空間向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，我們?nèi)?shí)際大小與用戶指定大小中的最小值。數(shù)據(jù)復(fù)制成功時(shí)返回零;出錯(cuò)時(shí)返回沒有復(fù)制成功的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

close()函數(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)閉矩陣鍵盤設(shè)備，釋放已注冊(cè)的中斷，關(guān)鍵語(yǔ)句：free_irq(button_irqs[i].irq,(void *)&button_irqs[i])。

Poll()函數(shù)實(shí)現(xiàn)輪詢，如果沒有按鍵數(shù)據(jù)，調(diào)用linux的poll_wait函數(shù)等待;如果有按鍵數(shù)據(jù)，則select函數(shù)會(huì)立刻返回。

3.2 中斷處理及鍵盤掃描程序

中斷處理函數(shù)的名稱為上面注冊(cè)的buttons_interrupt.具體程序流程如圖3所示。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，該鍵所在行列導(dǎo)通。列的低電平將該行電平拉低，進(jìn)而觸發(fā)中斷。然后，進(jìn)入中斷處理函數(shù)。由于按鍵存在抖動(dòng)的問題，單靠一次中斷的觸發(fā)就判定有按鍵按下是不可靠的，所以采用定時(shí)器延時(shí)10ms后再進(jìn)入鍵盤掃描函數(shù)。

本設(shè)計(jì)的鍵盤掃描程序采用先確定行再確定列的方法，最后對(duì)行列進(jìn)行一定的運(yùn)算即得鍵值。首先確定行：逐行掃描，判斷是否有行引腳為低電平。若有，保存該行值(row)。繼續(xù)確定列：逐列置低電平，當(dāng)該列為按下所在列時(shí)，才會(huì)使該行再次為低電平，從而確定列(column)。再對(duì)行列進(jìn)行運(yùn)算：k=row*4+column,則將矩陣鍵盤的每一鍵對(duì)應(yīng)為鍵號(hào)0-19.鍵盤布局為圖2所示形式后，我們只取矩陣鍵盤的前18鍵(鍵號(hào)0-17)，鍵值保存為k+1.對(duì)于Ent鍵，通過按下的時(shí)間長(zhǎng)短區(qū)分是確定功能還是開關(guān)機(jī)功能，按下時(shí)間小于0.5秒為確認(rèn)功能，按下時(shí)間大于1.6秒為開關(guān)機(jī)功能，時(shí)間在0.5秒-1.6秒的視為無效操作。計(jì)時(shí)方法為：

若該行仍為低電平且整數(shù)cnt小于1700:延時(shí)1ms,cnt++;根據(jù)cnt值即得按下時(shí)間。

開關(guān)機(jī)功能保存為第18鍵號(hào)，鍵值19.

4.驅(qū)動(dòng)程序的測(cè)試

測(cè)試程序?qū)儆谏蠈討?yīng)用程序，直接調(diào)用鍵盤驅(qū)動(dòng)程序提供的接口即可實(shí)現(xiàn)度鍵盤的操作。我們調(diào)用open()函數(shù)實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤設(shè)備的打開，再調(diào)用read()函數(shù)即可將鍵盤數(shù)據(jù)讀取出來并保存到自己定義的數(shù)組中，最后使用printf()函數(shù)將測(cè)試結(jié)果顯示出來。

功運(yùn)用到筆者的項(xiàng)目中，鍵盤輸入的正確率和反應(yīng)時(shí)間均符合設(shè)計(jì)要求。

5.總結(jié)

本文介紹了一種直接從ARM的I/O口擴(kuò)展矩陣鍵盤的方法，它無需增加其它接口元器件，設(shè)計(jì)快速實(shí)用，并實(shí)現(xiàn)了在Linux系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)，為ARM嵌入式設(shè)備擴(kuò)展手持終端式鍵盤提供了一種解決方案。