基于I2C總線的鍵盤驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引 言

隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，嵌入式PC在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中嵌入式鍵盤作為一種人機(jī)交互工具，有著非常重要的作用。通常的鍵盤設(shè)計(jì)采用陣列的設(shè)計(jì)方式，例如一個(gè)含有9個(gè)鍵值的鍵盤需要6個(gè)通用I／O口來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。鍵盤的鍵值越多，需要的通用I／O口也越多。

I2C(Inter-Integrated Circuit)總線是一種由Philips公司開(kāi)發(fā)的2線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。由于接口直接在組件上，因此I2C總線占用的空間非常小。I2C總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個(gè)主控能夠控制信號(hào)的傳輸和時(shí)鐘頻率。但在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控。

I2C的這些特點(diǎn)使得在許多設(shè)計(jì)中備受青睞，本文所介紹的MAX7347-7349系列芯片，即是一款I(lǐng)2C兼容芯片。它將鍵值掃描等一系列操作封裝在芯片內(nèi)部完成，CPU只需要通過(guò)I2C總線與芯片通信，通過(guò)向芯片寫入一定的命令完成某些操作。從而簡(jiǎn)化了鍵盤驅(qū)動(dòng)的處理。而且由于I2C支持多主控，因此不影響系統(tǒng)其他設(shè)備的操作。整個(gè)過(guò)程只需要3個(gè)通用I／O口與CPU通信，可以處理多達(dá)64個(gè)鍵值的響應(yīng)，有效地節(jié)省了通用I／O口。

2 基本原理

2.1 鍵盤驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)原理

通常的鍵盤采用矩陣式原理，例如對(duì)于一個(gè)含20個(gè)鍵值的鍵盤，采用4×5的矩陣陣列，即4行5列。其中行和列直接與CPU的I／O口相連，4個(gè)I／O口作為中斷I／O口。一旦外部有鍵按下，就會(huì)產(chǎn)生中斷，由于鍵盤被按下后，該鍵對(duì)應(yīng)的行和列被連通，因此根據(jù)判斷各列對(duì)應(yīng)的I／O口的電平，可以得到被按下鍵的位置，從而采取相應(yīng)的響應(yīng)。

本文所采用的MAX7347-7349系列芯片內(nèi)部有一個(gè)FIFO隊(duì)列，他在內(nèi)部完成按鍵去抖、掃描鍵值、按鍵自動(dòng)重復(fù)，以及某些時(shí)刻報(bào)警等一系列復(fù)雜的操作，而鍵盤驅(qū)動(dòng)本身是需要通過(guò)發(fā)送一系列的命令來(lái)得到所需要的某些狀態(tài)值，從而進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2.2 I2C總線通信原理

I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，每個(gè)電路和模塊都有惟一的地址。CPU會(huì)發(fā)出地址碼用來(lái)選址，即接通需要控制的電路。所以，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。

I2C總線定義了嚴(yán)格的傳輸信號(hào)來(lái)完成一次傳輸。

開(kāi)始信號(hào)：當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。

結(jié)束信號(hào)：當(dāng)SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。如圖1所示。

注意：SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態(tài)的改變會(huì)被識(shí)別為起始和停止條件。

應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8 b數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出1個(gè)信號(hào)后，等待受控單元發(fā)出1個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況做出是否繼續(xù)傳遞信號(hào)的判斷。若未收到應(yīng)答信號(hào)，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。如圖2所示。

3 具體實(shí)現(xiàn)

3.1 接口電路

如圖3所示MAX7347芯片電路示意圖。

其中11個(gè)腳為鍵盤陣列輸入連接到鍵盤外設(shè)，3行8列，最多可以控制24個(gè)不同按鍵。3個(gè)腳與PXA 270直接通信，INT為中斷腳，按鍵按下為低電平，SCL為I2C兼容串行時(shí)鐘輸入，SDA為I2C兼容串行I／O口。

當(dāng)有鍵按下時(shí)，連接到鍵盤的11個(gè)腳會(huì)有電平的變化，芯片會(huì)根據(jù)電平的變化得到按下鍵的鍵值，然后存放在芯片內(nèi)部的FIFO中，同時(shí)把INT腳下拉為低電平。此時(shí)鍵盤驅(qū)動(dòng)在檢測(cè)到INT變低之后會(huì)通過(guò)SDA向芯片發(fā)送一系列命令，芯片通過(guò)SDA傳回給驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的狀態(tài)及值。SCL和SDA的電平變化嚴(yán)格遵循2.2節(jié)介紹的I2C總線通信信號(hào)規(guī)律。

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