【硬件設(shè)計(jì)】嵌入式輸入設(shè)備設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)今的交互設(shè)備不僅硬件設(shè)備復(fù)雜，相關(guān)數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度也大有所增。

　　常見的人機(jī)交互輸入設(shè)備包括按鍵、觸摸屏、麥克風(fēng)及其他各類用戶可控輸入的傳感器等。隨著科技的發(fā)展，不僅我們常見的交互輸入設(shè)備出現(xiàn)了新的形態(tài)，而且也出現(xiàn)了不少新的交互輸入方式。比如，現(xiàn)在手機(jī)中的電容按鍵及重力感應(yīng)傳感器、距離傳感器。

　　現(xiàn)在的交互設(shè)備不僅體現(xiàn)在硬件設(shè)備的復(fù)雜性上，而且在相關(guān)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性上也與以往有了較大的增加。比如，可用于語音輸入的麥克和可用于人臉識別的攝像頭，為了完成這些人機(jī)交互輸入，除了硬件輸入設(shè)備對信息采集外，還需要后臺進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，以幫助系統(tǒng)“理解”用戶的“輸入信息”。

　　鍵盤是嵌入式應(yīng)用的常用外部設(shè)備之一。鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡單的數(shù)字量輸入設(shè)備。對系統(tǒng)而言，鍵盤上不同的按鍵代表著不同的含義(一般來說，按鍵的含義可通過軟件定義)。用戶通過按動(dòng)鍵盤的按鍵，輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)交互。

　　一、鍵盤的基本電路

　　鍵盤的基本電路是一個(gè)接觸開關(guān)，通、斷兩種狀態(tài)分別表示邏輯“0”和“1”。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，處理器檢測到相應(yīng)引腳為高電平，表示邏輯“1”;當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，處理器檢測到相應(yīng)引腳為低電平，表示邏輯“0”。

　　二、鍵盤的分類

　　按鍵排布的方式，鍵盤可分為可分成獨(dú)立式按鍵鍵盤和矩陣式按鍵鍵盤;按讀入鍵值的方式，可分為直讀方式和掃描方式;按編碼方式，可分成非編碼方式和硬件編碼方式;按微處理器響應(yīng)方式可分為中斷方式和查詢方式。以上各種方式組合可構(gòu)成不同硬件結(jié)構(gòu)和接口的鍵盤。以下介紹較為常用的兩種方式。

　　1、獨(dú)立式

　　獨(dú)立式按鍵鍵盤是指將每個(gè)獨(dú)立按鍵按一對一的方式直接接到微處理器的I/O輸入端口。讀鍵值時(shí)，處理器可以檢測相應(yīng)I/O輸入端口的狀態(tài)，判定輸入電平，確定輸入的邏輯值。按鍵之間在硬件和讀取方式上均相互獨(dú)立，所以習(xí)慣稱這種按鍵為獨(dú)立式按鍵。這種方式在軟硬件上實(shí)現(xiàn)均比較簡單，但每一個(gè)按鍵都占用一個(gè)I/O端口，占用的資源較多，一般在按鍵數(shù)量較少，微處理器I/O資源充足時(shí)采用。

　　2、矩陣式

　　矩陣式鍵盤是用n條I/O線組成行輸入口，m條I/O線組成列輸出口，在行列線的每一個(gè)交點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)按鍵。矩陣式鍵盤讀取鍵值一般采用逐行掃描的方式，即輸出口按位輪換輸出低電平，再從輸入口讀入信息，最后計(jì)算各次從輸入口讀取的信息，獲得鍵碼。

　　例如，將row0~3配置為輸出模式，col0~3配置為輸入模式;現(xiàn)將row0輸出低電平，row1~3輸出高電平，讀取col0~3;如果此時(shí)第0行0列的按鍵有按下，則col0檢測到輸入為低電平，其他列為高電平。這種方式占用I/O線較少，在按鍵較多的應(yīng)用中采用較多。

　　設(shè)計(jì)鍵盤時(shí)，通常小于4個(gè)按鍵的應(yīng)用，可以使用獨(dú)立式接口。如果按鍵較多，為了減少微處理器的I/O端口的占用，可以使用矩陣式鍵盤。

　　另外，如果使用處理器I/O直接與矩陣鍵盤接口相連，上述矩陣鍵盤的檢測方式需要處理器不斷對接口掃描檢測。對速度較快的處理器來說，這種檢測方式是對處理器的極大浪費(fèi)。所以實(shí)際應(yīng)用中建議使用專門的矩陣鍵盤的驅(qū)動(dòng)芯片或I/O擴(kuò)展芯片，來實(shí)現(xiàn)對矩陣鍵盤的檢測，比如ZLG7290、CAT9555等擴(kuò)展芯片。

　　使用驅(qū)動(dòng)或I/O擴(kuò)展芯片，可以將處理器從簡單但頻繁的鍵盤掃描動(dòng)作中解放出來。ZLG7290芯片支持2×8個(gè)I/O擴(kuò)展，采用I2C接口與處理器連接，并支持中斷輸出，最大可擴(kuò)展8×8的矩陣鍵盤。