矩阵式静态编码键盘及其接口电路

1、第21卷第2期阜阳师范学院学报(自然科学版V ol.21.N o.22004年6月Journal of Fuyang T eachers C ollege(Natural ScienceJune2004矩阵式静态编码键盘及其接口电路刘杰,梁华国(合肥工业大学计算机与信息学院,安徽合肥230009摘要:针对现有键盘电路的软硬件成本高、运行速度低的情况,研究设计了一种新型静态编码键盘电路,分析其设计方法和工作原理,论证了的可取性和实用性,并对接口电路8279的应用进行了简述.关键词:编码键盘;静态编码键盘;扫描编码键盘;键值,8279接口电路中图分类号:TP334.2+3文献标识码:A文章编号:1

2、004-4329(200402-0065-04键盘是各种CPU不可缺少的最常用的、最基本的输入工具,通过它可以输入程序和数据;键盘的研制也已经达到相当高的水准,形成了两大类别的键盘,即编码键盘和非编码键盘.对于编码键盘,又可分为静态编码键盘和扫描编码键盘等.到目前为止,由于静态编码键盘中只有线性静态编码键盘问世,故而,平时所说的静态编码键盘一般是指线性静态编码键盘.然而本文所要介绍的键盘电路应归属于静态编码键盘,其电路设计见图1.由于这种键盘电路的设计采取矩阵方式,故而不妨把此键盘命名为矩阵式静态编码键盘.至此,静态编码键盘就不再特指线性静态编码键盘,而应是线性静态编码键盘和矩阵式静态编码键盘

3、的总称.1电路的设计方法和工作原理1.1电路的设计方法从图1可以看出,这种电路的键盘是按矩阵方式构成的,键的代码是由硬件电路直接形成的,按键的设计采用触摸式.一旦某个按键被按下,相应的行线和列线同时变成低电平.一方面,所有的行线进入行优先编码器形成行值,所有的列线进入列优先编码器形成列值,行值和列值的顺序排列结果就是相应按键的键值代码.它们被加到相应输出寄存器的输入端,等待输出寄存器把它们储存下来;另一方面,所有的行线和列线分别接到各自的一个与门,这两个与门的输出不仅控制着各自的优先编码器,还一同输入到一个或非门,并经过单稳态电路产生按键选通信号.这个按键选通信号一路向CPU发出中断请求,另一

4、路控制着输出寄存器,使原已加到输入端的行值和列值得以保存在寄存器中,随时等待CPU的读取.这个电路的设计在三个方面必须引起重视:(1所有的行线要输入到一个与门,所有的列线要输入到另一个与门,并且这两个与门的输出还要输入到同一个或非门,由这个或非门的输出信号才可能作为按键选通信号.因为只有这样做才能保证:当因某种原因造成仅有行线或列线被触发,或行和列在一定时间内不能同时被触发时,选通信号就不能产生,自然也就不会出现仅有行值或列值被保存在输出寄存器中的情况,从而避免了可能出现的按键输入错误.(2按键选通信号对输出寄存器的控制作用必须迟于键值代码加到输出寄存器的输入端.只有在这种情况下,才能保证键值

5、代码被准确无误地由输出寄存器保存下来,防止了上一次按键所产生的键值代码或键值代码0被保存下来.(3编码器采用优先编码器,这样就能保证在多键同时按下时,只有优先权最高的按键才能被编码,而其它低优先权的按键对编码将不起作用.至于现有键盘中的一些功能键可以放于数字键中与数字键一起进行编码;而对于Ctrl这样的一些控制键可以采用另一个矩阵编码键盘电路,但是,对于输出键值的处理可以采用与现有的机械式手动输入键盘一致的方案,这里就不再详述.另外,功能键电路部分不需要产生选通信号的部分,因为它要与数字键产生的键值一起储存,必须使用数字键部分的选通信号.收稿日期:2004-03-08作者简介:刘杰(1969-

6、,男,工程师,硕士研究生. 图1键盘与接口1.2电路的工作原理见图1,为叙述方便,图中采用了四行四列矩阵,针对每一个按键都标有相应的键的功能值,从左到右为14列,从上到下为14行.这里的编码器采用4线-2线优先编码方式,其编码关系见表1.表1是针对图1中的列优先编码器示意图的编码,行优先编码器的编码规则与此相同.表14线2线编码关系输入输出SI 1I 2I 3I 4Y 1Y 0 1××××0001 1110000111000×011010××01100×××011×表示任意状态当电路开

7、始通电时,行优先编码器和列优先编码器都输出00B ,输出寄存器的初始值也为0000B.假如键值为0的按键被按下,1行、1列同时变成低电平,其它的行线和列线仍为高电平.行优先编码器和列优先编码器的输出仍为00B ,不发生变化.发生变化的是行与门G 1的输出由高电平变成低电平,列与门G 2的输出由高电平变成低电平.结果,G 1和G 2的变化直接使G 3发生变化,或非门G 3的输出端由低电平变成了高电平,并经单稳态电路产生按键选通信号.这个按键选通信号的上升沿作用到输出寄存器的脉冲控制端,使得刚加到输入端的键值代码得以保存在寄存器中.这个按键选通信号还经过另一路向CPU 发出中断请求,请求CPU 响

8、应中断,取走按键的代码值.假如被按的键的键值不是0,而是其它的键值,如键值6,则2行3列变成低电平,经行优先编码器编码为01B ,经列优先编码器编码为10B ,再由输出寄存器保存下来,其输出即为0110B ,这就是键值6的二进制表示法.同时,按键电路产生的选通信号还向CPU 发出中断请求.如果所按键66阜阳师范学院学报(自然科学版第21卷不是自然数,而是某一种功能键,其编码同样可以采用数字键的编码方式.如果设计的不是4行4列,而是8行8列,这时只要将4线-2线优先编码器改为8线-3线优先编码器,按键数即可由16个增加到64个.可见,这种键盘电路的扩容相当容易.此键盘电路采用的是二进制编码器,每

9、一个按键值都对应着一个二进制数.如果要采用ASCII 码输出,只要把编码器改变成ASCII 码编码器,键盘输出即可变成相应的ASCII 码输出.2电路的可取性论证通过上面的分析可以看出,这种矩阵式静态编码键盘能够实现机械式手动输入键盘的所有功能,且硬件成本不高,键值代码易于形成和识别.它的按键个数容易扩充,并且工作速度较快.下面为了更好地阐明该电路的可取性,现列出各种键盘电路的性能状况比较表,见表2.表2各种键盘电路的性能比较矩阵式静态编码键盘线性静态编码键盘扫描编码键盘非编码键盘硬件成本3略高很高很高适中软件成本无无无有代码形成难度易难难难键数扩充难度易很难很难难工作速度很高很高高适中工作可

10、靠性3适中适中适中适中3硬件成本是相对于键数超过30个以上而言的;工作可靠性是相对于硬件电路和软件程序的.从表2可以看出,在要求高速度、多按键数的情况下,矩阵式静态编码键盘的软硬件综合成本最低(这里还要考虑软件的运行时间花费.可以说,在每一个性能指标上,矩阵式静态编码键盘都达到了较为理想的程度,具有很好的工作性能和很高的实用价值,是一种很具有发展前途的键盘设计方案.图2接口逻辑8279的接入电路3可编程键盘/显示器接口8279的应用由于编码键盘的工作速度高,若使用简单接口,如图1中的虚线下方部分,则CPU 有可能来不及响应中断,而键盘的按键代码已被下一个按键代码所取代,造成按键输入错误.为了配

11、合编码键盘工作的高速性,增大CPU 的利用率,可以采用可编程键盘接口电路8279作为这种编码键盘与CPU 之间的接口,如图2.由于矩阵式静态编码键盘的输出采用选通方式,因而,8279必须工作在选通工作模式下,其方式命令字可写为000××11×B (其中×表示任意设置.一旦工作方式命令字设定,8279便工作在选通输入方式下.当有某键被按下时,按键选通信号便通过C NT L/ST B 线把键值打入8279的内部FIFORAM 存储器中,同时经8279向CPU 发出中断请求信号IRQ.如果CPU 不能及时响应中断请求,而此时又有新键被按下,键值将紧挨着被保存在

12、下一个RAM 单元中.同样,如果还有键被按下,将一样被保存下来.如此这样,直至存入的键值溢出.如果CPU 可以响应中断请求,便发出读取命令,读取键值代码,并减少中断请求的次数,直至读完所有已存入的键值代码,中断请求次数也减少到零,不再发出中断请求信号.由于CPU 是在选通输入工作模式下按照先进先出方式对8279的RAM 中的数据进行读取,所以,CPU 在对8279进行初始化时,其读取命令字可以省略不写.76第2期刘杰等:矩阵式静态编码键盘及其接口电路86阜阳师范学院学报(自然科学版第21卷根据上面的8279的工作过程可知,8279在工作之前的初始化过程是:首先写入清零FIFORAM的命令字11

13、0×××11B.再设置工作方式命令字000××11×B.经过上面的初始化后,8279便工作在选通输入方式下:当有按键存入时,8279便发出中断请求信号,等待CPU按照先进先出的方式取走键值;待键值取走后,8279便减少中断次数,等待下一个键值的输入.这样, 8279就可以顺利、可靠地作为CPU与矩阵式静态编码键盘之间的接口使用,从而提高了矩阵式静态编码键盘的可取性和实用性.5结束语综上所述,如果使用I NTE L公司的通用键盘接口8279或其它专用键盘接口电路作为矩阵式静态编码键盘的接口,就可以达到珠连璧合,锦上添花的地步.不仅能减少

14、软件设计的繁琐和运行软件所浪费的时间,节省硬件电路的开销,还能够提高键盘数据输入的高速性、准确性和高效性,并能配合CPU的工作,使CPU更加快速有效地对键盘等接口设备进行管理,充分发挥CPU的工作性能.因而,这种矩阵式静态编码键盘,无论是应用于个人电脑的简单数据输入,还是应用于巨型电脑的大量复杂的科研数据输入,其高速性、准确可靠性、易于CPU的管理和软硬件成本的低廉都是优于现行的各种手动输入键盘,有望成为最理想、最富有发展前途的手动输入键盘.参考文献1安维蓉.微型计算机接口技术M.北京:中国铁道出版社,1994.129-1402郑学坚.微型计算机原理及其应用M.北京:清华大学出版社,1987.

15、213-2213李大友,姜秀芳.单片微型机硬件、软件及应用M.北京:高等教育出版社,1993.161-1814周明德.微型计算机硬件、软件及应用(第2版M.北京:清华大学出版社,1998.463-2715张友德,赵志英.单片微型机原理、应用与实验M.上海:复旦大学出版社,1992.320-3446康华光.电子技术基础(数字部分,第4版M.北京:高等教育出版社,2000.125-1337阎石.数字电子技术基础(第4版M.北京:高等教育出版社,1998.139-144A Matrixed Static Code K eyboard and Its I nterface CircuitLI U Ji

16、e,LI ANG Hua2guo(School of C omputer&In formation,Hefei University of T echnology,Hefei,Anhui,230009 Abstract:Owing to the high s oftware-hardware cost and slow w orking speed of the existing keyboard circuit,the author studies a new -style static code keyboard circuit.This article analyzes its design methods and w orking theories,and contrastively dem onstrates its feasibility and practicability,and simply narrates the concrete