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專用鍵盤接口芯片的一種CPLD實現(xiàn)方案
摘要：對用于單片機的鍵盤子系統(tǒng)的專用鍵盤接口芯片進(jìn)行功能分析，就芯片中核心部件的時序設(shè)計進(jìn)行狀態(tài)描述，并利用可編程邏輯技術(shù)和原理輸入方式對鍵盤接口芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)加以實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：鍵盤子系統(tǒng) 專用鍵盤接口 CPLD 狀態(tài)描述
在單片機應(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)，是實現(xiàn)現(xiàn)象實時調(diào)試、數(shù)據(jù)調(diào)整和控制最常用的方法。單片機的外圍鍵盤擴展電路有多種實現(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)慕涌诠芾沓绦颍涂梢詫崿F(xiàn)外圍鍵盤擴展功能。但是，在這些方法中，鍵盤擴展電路需要占用單片機的資源對按鍵進(jìn)行監(jiān)控和處理，這對要求高實時性處理的單片機系統(tǒng)是不實現(xiàn)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)。而且，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)用戶需要實現(xiàn)某些特定功能時，其缺點更為明顯。針對上述問題，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)計技術(shù)[3]實現(xiàn)專用鍵盤接口芯片的方案。
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1 系統(tǒng)原理
圖1是單片機系統(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)生按鍵掃描時序，并進(jìn)行硬件去抖動。如果直按鍵按下，實現(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)字鍵鈄由接口芯片暫存，而當(dāng)功能鍵被按下時申請CPU中斷處理；對多個按鍵同時按下，按一定的編碼優(yōu)先級處理。第三，提供與MCS-51系列單片機兼容的接口，單片機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4位七段LED數(shù)碼管，并進(jìn)行動態(tài)掃描顯示。
按鍵根據(jù)鍵盤子系統(tǒng)的服務(wù)對象擬設(shè)置子數(shù)字鍵(0～9)、功能鍵（ROW、COL、DAT）、清零鍵（CLR）共14個，排成4×4的矩陣，有兩個未定義。
2 專用鍵盤接口芯片功能結(jié)構(gòu)設(shè)計
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)含一個環(huán)形計數(shù)器。該計數(shù)器計數(shù)輸出至KSL[0～3]端作為鍵盤掃描信號。每當(dāng)掃描信號發(fā)生變化時，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。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，然后再次掃描被鎖定行以確定按鍵是否誤讀。如果按鍵被證實按下，則一直等待直至用戶松開該鍵。與此同時，數(shù)字鍵碼將被保存到先進(jìn)先出存儲器，功能鍵則直接產(chǎn)生中斷請求信號IRQ，通知CPU讀取鍵碼DBO[0～7]。（2）FIFORAM中數(shù)據(jù)容量為16位。每4位對應(yīng)一個字形符，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。掃描顯示輸出控制電路根據(jù)位數(shù)據(jù)選通信號讀取FIFO RAM中相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后送七段譯碼電路輸出DP[0～6]驅(qū)動LED顯示屏的段選信號電極。（4）接口控制電路一方面用來識別CPU的讀時序；另一方面用來對地址信號線A1A0譯碼，實現(xiàn)對輸出數(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)描述與實現(xiàn)
為了實現(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)對各個功能塊進(jìn)行邏輯的序描述和實現(xiàn)。由于鍵盤掃描控制和去抖的邏輯時序設(shè)計較復(fù)雜并具典型性，因此下面將對鍵盤掃描控制和去抖部分的設(shè)計思想進(jìn)行介紹。
鍵盤掃描時序的基本原理[4]可能用圖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（去抖動延時結(jié)束）；輸出變量包括EN-SCAN（掃描行轉(zhuǎn)移）、EN-CODED（鍵盤編碼啟動）、START-TIMER（開啟去抖動延時）。從圖3中知道，狀態(tài)S0→S1→S2為按鍵掃描狀態(tài)鍵，狀態(tài)S3→S4→S5為去抖延時狀態(tài)鏈，狀態(tài)S6為按鍵保持期。當(dāng)按鍵被按下時，進(jìn)入啟動（S3）去抖延時狀態(tài)鏈；去抖延時結(jié)束后（S5），若按鍵沒有按下則恢復(fù)掃描狀態(tài)鍵（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，結(jié)果如圖4所示。其中H3是6位循環(huán)移位寄存器，由時鐘CLK觸發(fā)實時狀態(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)然它們并非一一對應(yīng)，但實現(xiàn)的功能相同。值得一提的是，如果專用鍵盤芯片KB-CORE的外部時鐘CLK來自單片機的ALE信號（如圖1所示），當(dāng)單片機時鐘為6MHz時，則專用鍵盤芯片KB-CORE的外接時鐘為1MHz的方波信號，信號周期為1μs。如果將該時鐘信號經(jīng)過一個分頻器，使其輸出的信號周期約為Tclk=1μs×2 12≈4ms，然后再作為H3的時鐘信號。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，則可以實現(xiàn)約8ms的去抖動延時。通過這樣的設(shè)計，可以免除延時計數(shù)器，簡化電路。
4 專用鍵盤接口芯片的實現(xiàn)
根據(jù)實時數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)的設(shè)計要求，使用了34上自定義I/O引腳和PC44封裝的CPLD來實現(xiàn)專用鍵盤接口芯片KB-CORE。芯片型號的選擇依據(jù)綜合所需要的宏單元（Macrocells）個數(shù)決定。如果借助硬件描述語言VHDL[5]對上述設(shè)計進(jìn)行描述，綜合結(jié)果需要約140個宏單元；如果改用原理圖輸入方式，則只需約60個宏單元。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。
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