基于ADSP-BF561的嵌入式鍵盤設計

　　1 引言

　　隨著電子信息技術的飛速發展，信息家電和各式各樣的移動終端得到越來越廣泛的應用。在這些人機交互( HMI)較頻繁的嵌入式系統中，鍵盤是一種應用昀為廣泛的輸入設備。由于嵌入式系統具有功耗低、體積小、專用性強等特點，因此嵌入式鍵盤常常要求具有特殊的工作方式和特定的驅動設計。

　　本文討論了基于 ADSP-BF561的非編碼矩陣鍵盤的硬件設計，并詳細闡述和分析了鍵盤驅動程序實現中的關鍵問題。ADSP-BF561是 Analog Devices Inc.推出的針對多媒體和通信應用方面的一款高性能 DSP產品，具有快速的數據處理能力和豐富的外設接口，已廣泛使用在各種網絡多媒體應用中。

　　該鍵盤設計已應用于一款以 uClinux 2.6和 ADSP-BF561作為軟硬件核心的網絡視頻電話終端產品，在實際應用中表現出較好的穩定性和實時性。

　　2 硬件設計方案

　　鍵盤的結構通常有兩種形式：線性鍵盤和矩陣鍵盤。在線性鍵盤中，每個按鍵都和一個 I/O口連接，資源利用率不高，一般只適用于按鍵較少的場合。矩陣鍵盤連接方式利用(N+M)個 I/O口，可以輸入 (N×M)個按鍵開關。根據矩陣鍵盤識別鍵值方式的不同，又可分為編碼式鍵盤和非編碼鍵盤兩種。

　　本設計采用非編碼矩陣鍵盤實現。鍵盤電路由 5根行線和 6根列線組成，共使用 BF561的 11個 GPIO(General purpose I/O port，通用輸入輸出)口，其接口電路如圖 1所示。

　　圖1鍵盤接口電路圖

　　該矩陣電路的 5個行引腳分別被接到 BF561的 GPIO43-GPIO47端口上，并且這五個端口被配置成輸入口，共用一個中斷源。同時，將 6根列線分別接到 BF561的GPIO37-GPIO42端口上，配置為輸出口。在矩陣鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處都不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。當按鍵沒有按下時，所有的輸入端都是高電平，代表無鍵按下，由于列線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線(行線)就會被拉低，這樣便可以通過 GPIO口產生中斷，通知處理器有鍵按下。

　　3 鍵盤驅動的實現

　　本設計利用 GPIO口來直接掃描矩陣鍵盤，從而簡化了掃描電路的設計，降低了成本，但鍵盤的消抖、掃描等問題都需由軟件來妥善解決。

　　3.1 按鍵消抖

　　當按鍵被按下或抬起的瞬間，由于觸點的彈性作用，會產生機械抖動，一般持續幾毫秒到十幾毫秒。這種抖動對于用戶來說是感覺不到的，但嵌入式系統微處理器的運行速度(即便是采用低速晶振)相對于人的手動動作是非常迅速的(處理器的速度是在微秒級，而機械抖動的時間至少是毫秒級的)。因此，有可能只按了一次按鍵，可是處理器卻已執行了多次中斷的操作。

　　為了避免將用戶的一次按鍵誤當作幾次按鍵來處理，必須要想辦法去掉這種抖動。本文通過 uClinux提供的定時器機制，利用定時時間取代傳統的忙等方法，提高了系統的性能。當鍵盤上有鍵被按下時，鍵盤中斷處理程序被觸發，其主要實現流程如下：

　　static void key_enter_irq(int idx, void *id)

　　{

　　關中斷;

　　kbd_Scan_timer.expires = jiffies + 2; //指定定時器到期的時間

　　add_timer(&kbd_Scan_timer); //將一個 timer_list對象掛入定時器隊列

　　}

　　該定時器對象(kbd_Scan_timer)需在模塊初始化函數中定義，并指定相應的處理函數。當定時器到期時，內核就執行指定的函數，完成以下一些工作：掃描鍵盤，得到被按下鍵的掃描碼，查表轉換成相應的鍵值后送入指定緩沖區中，開中斷并等待應用程序接收。

　　3.2 鍵值掃描

　　在確定有鍵被按下后，即可進入確定具體閉合鍵的過程。驅動程序中采用掃描法實現按鍵的確定。由于行線連接在 GPIO的輸入口，且共用一個中斷輸入口，因此，在中斷到來時，需要確定被按下的鍵在哪一行哪一列。

　　具體實現過程如圖 2所示：依次將列線置為低電平，即置某根列線為低電平時，把其他列線置為高電平。在確定某根列線為低電平后，再逐行檢測各行線的電平狀態。若某行為低，則該行線與置為低電平的列線交叉處的按鍵即為閉合按鍵。由此便可得到閉合鍵的行值和列值，通常這就是一個掃描碼，然后可采用計算法或者查表法將閉合鍵的掃描碼轉換成應用程序所能夠理解的鍵值。

　　圖2掃描算法流程圖

　　3.3 緩沖區同步

　　得到閉合鍵的掃描碼后，通常將掃描碼轉換成應用程序可以理解的鍵值后放入一個緩沖區中，直到應用程序處理按鍵為止。緩沖是一個很有用的措施，當應用程序在按鍵事件發生了卻不能及時處理它們時，通過緩沖區就可以防止按鍵丟失。緩沖區的大小取決于應用程序的需要。一般來說，都是把緩沖區作為一個環形隊列來管理。

　　環形緩沖區通常有一個讀指針和一個寫指針(如圖 3所示)。通過移動讀指針和寫指針就可以實現緩沖區的數據讀取和寫入。當一個按鍵被按下時，鍵值將被放置在環形隊列的寫指針指向的位置。而應用程序則是通過讀指針去讀取緩沖區中的鍵值。若緩沖區已滿，則任何下一個按鍵都將被丟棄。若緩沖區為空，則讀進程阻塞。使用環形的緩沖區可以使得讀寫并發執行，讀進程和寫進程可以采用 “生產者和消費者”的模型來訪問緩沖區，從而方便了緩沖的使用和管理，確保系統的安全性。

　　圖3環形緩沖區

　　應用層中使用了 select系統調用，select會在一個循環中對每個需要監聽的設備調用它們各自的 poll支持函數以使得當前進程被加入各個設備的等待隊列。若當前沒有任何被監聽的設備就緒，則內核進行調度(調用 schedule)，當前進程讓出 CPU進入阻塞狀態，schedule返回時將再次循環檢測是否有操作可以進行，如此反復;否則，若有任意一個設備就緒，select都立即返回。

　　poll 函數中利用等待隊列，實現了應用程序對緩沖區讀操作的同步。因此，只需再定義

　　兩個信號量，用于實現同步和互斥：

　　static DECLARE_MUTEX(mutex_sem); /*定義用于互斥的信號量，初值為1*/

　　/*定義控制驅動程序寫緩沖區的信號量，初值為 KEYBUF_SIZE-1，表示緩沖區中的空位

　　數 */

　　struct semaphore empty_sem;

　　sema_init (&empty_sem, KEYBUF_SIZE-1);

　　驅動程序填寫緩沖區過程的偽代碼如下：

　　down(empty_sem); //保證緩沖區中有空位，否則進程掛起

　　down(mutex_sem); //申請互斥信號量，保證對緩沖區的互斥訪問

　　鍵值送往環形緩沖寫指針所指地址;

　　char_buf_write =( char_buf_write +1) mod KEYBUF_SIZE;//修改寫指針

　　up(mutex_sem); //釋放互斥信號量

　　wake_up(&key_wait); //喚醒等待隊列中的進程

　　應用程序讀緩沖區過程的內核實現偽代碼如下：

　　down(mutex_sem); //申請互斥信號量，保證對緩沖區的互斥訪問

　　環形緩沖讀指針所指地址的值送往用戶空間;

　　char_buf_read =( char_buf_read +1) mod KEYBUF_SIZE;//修改讀指針

　　up(mutex_sem); //釋放互斥信號量

　　4 結束語

　　本文設計并實現了基于 ADSP-BF561的嵌入式矩陣鍵盤。利用 GPIO口直接掃描矩陣鍵盤，簡化了掃描電路的設計，降低了成本;軟件實現上，利用定時器消抖，避免忙等，提高系統效率;利用環形緩沖管理按鍵信息，使用等待隊列和信號量實現緩沖的同步操作。

　　目前，此設計已經成功應用于一款網絡視頻電話終端，測試表明，該方案在一定的要求 下完全符合性能要求，并具有較好的穩定性和實時性。

　　本文作者創新點：本設計利用定時器消抖，避免忙等，提高系統效率;利用環形緩沖管理按鍵信息，使用等待隊列和信號量實現緩沖的安全同步。