基于ARM的矩陣鍵盤設計及其linux驅動實現(xiàn)

1.引言

ARM微處理器已廣泛應用于工業(yè)控制、消費類電子產品、通信系統(tǒng)等領域。矩陣鍵盤是一種常用的鍵盤形式，它將按鍵設計成M行N列，這樣共需M+N根信號線，卻可驅動M×N個按鍵，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.硬件設計

本設計擴展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，確保按鍵空閑時不會觸發(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的其他設備中均未使用到，否則會引起該驅動程序或其他驅動程序初始化失敗。

考慮到手持終端設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，即確認功能(短按)和開關機功能(長按)，此功能將在驅動程序中實現(xiàn)。

3.矩陣鍵盤的Linux驅動程序設計

3.1 鍵盤驅動總體概述

驅動程序是操作系統(tǒng)內核和硬件設備之間的接口。設備驅動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)，使應用程序可以像操作普通文件一樣操作硬件設備[2].驅動程序沒有main函數(shù)，它以一個模塊初始化函數(shù)作為入口，并且它完成初始化之后不再運行，等待系統(tǒng)調用。

驅動程序是linux內核的一部分，所以在程序編寫上要采用linux的表達方式。首先將列I/O端口定義為數(shù)組：col_table [] ={ S3C2410_GPF3,S3C2410_GPF4, …},行I/O端口定義為結構型：

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

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

…}.//中斷號(irq)，引腳(pin)，引腳設置，序號，名稱

矩陣鍵盤是作為Linux的一個字符設備注冊到系統(tǒng)中的。我們首先向系統(tǒng)注冊矩陣鍵盤設備，包括設備號，設備名及file_operations結構體;file_operations結構體的成員函數(shù)是字符設備驅動程序設計的主體內容，這些函數(shù)實際會在應用程序進行Linux的open()、write()、read()、close()等系統(tǒng)調用時最終被調用[3].用戶對鍵盤沒有寫操作，其file_operations結構體的成員函數(shù)為open()、read()、close()、poll()。

中斷的注冊和行列初始化在打開鍵盤時(即open()函數(shù)中)實現(xiàn)。注冊中斷包括：中斷號，中斷入口程序，中斷方式，中斷名和代號。關鍵語句為：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)。然后再進行行列初始化：設置行線為中斷，使能上拉，在linux中其表達方式為：

s3c2410_gpio_cfgpin(button_irqs[i].

pin,S3C2410_GPIO_SFN2); //設置第i行引腳為中斷

s3c2410_gpio_pullup(button_irqs[i].

pin,1); //第i行引腳上拉

設置列線為輸出，置低電平。語句表達同理，由于篇幅所限，這里不再一一列出。read()函數(shù)實現(xiàn)從設備中讀取數(shù)據(jù)。該函數(shù)實現(xiàn)無按鍵按下時程序進入休眠，關鍵代碼：

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq); //生成一個等待隊列頭隊列，名為button_waitq

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

ev_press為0時執(zhí)行語句：wait_event_interruptible(button_waitq,ev_press)，程序即進入休眠。ev_press為1時把數(shù)據(jù)從內核空間復制到用戶空間，關鍵語句：

copy_to_user(buff,(const void *)key_values,min(sizeof(key_values)，count));//buff為用戶空間的指針，key_values為內核空間指針，最后一個參數(shù)為從內核空間向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，我們取實際大小與用戶指定大小中的最小值。數(shù)據(jù)復制成功時返回零;出錯時返回沒有復制成功的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

close()函數(shù)實現(xiàn)關閉矩陣鍵盤設備，釋放已注冊的中斷，關鍵語句：free_irq(button_irqs[i].irq,(void *)&button_irqs[i])。

Poll()函數(shù)實現(xiàn)輪詢，如果沒有按鍵數(shù)據(jù)，調用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)的名稱為上面注冊的buttons_interrupt.具體程序流程如圖3所示。當有按鍵按下時，該鍵所在行列導通。列的低電平將該行電平拉低，進而觸發(fā)中斷。然后，進入中斷處理函數(shù)。由于按鍵存在抖動的問題，單靠一次中斷的觸發(fā)就判定有按鍵按下是不可靠的，所以采用定時器延時10ms后再進入鍵盤掃描函數(shù)。

本設計的鍵盤掃描程序采用先確定行再確定列的方法，最后對行列進行一定的運算即得鍵值。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，當該列為按下所在列時，才會使該行再次為低電平，從而確定列(column)。再對行列進行運算：k=row*4+column,則將矩陣鍵盤的每一鍵對應為鍵號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0-17)，鍵值保存為k+1.對于Ent鍵，通過按下的時間長短區(qū)分是確定功能還是開關機功能，按下時間小于0.5秒為確認功能，按下時間大于1.6秒為開關機功能，時間在0.5秒-1.6秒的視為無效操作。計時方法為：

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

開關機功能保存為第18鍵號，鍵值19.

4.驅動程序的測試

測試程序屬于上層應用程序，直接調用鍵盤驅動程序提供的接口即可實現(xiàn)度鍵盤的操作。我們調用open()函數(shù)實現(xiàn)矩陣鍵盤設備的打開，再調用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)將測試結果顯示出來。

功運用到筆者的項目中，鍵盤輸入的正確率和反應時間均符合設計要求。

5.總結

本文介紹了一種直接從ARM的I/O口擴展矩陣鍵盤的方法，它無需增加其它接口元器件，設計快速實用，并實現(xiàn)了在Linux系統(tǒng)下的驅動，為ARM嵌入式設備擴展手持終端式鍵盤提供了一種解決方案。