专用键盘接口芯片的一种CPLD实现方案

1 系统原理



图1是单片机系统中键盘子系统的构成原理框图。其中键盘接口芯片KB-CORE是该子系统的核心部分，它应具备如下功能：第一，产生按键扫描时序，并进行硬件去抖动。如果直按键按下，实现按键编码、中断处理等功能。第二，可以区分处理数字键和功能键。数字键钭由接口芯片暂存，而当功能键被按下时申请CPU中断处理；对多个按键同时按下，按一定的编码优先级处理。第三，提供与MCS-51系列单片机兼容的接口，单片机可以读取芯片中保存的数据或功能代码。第四，提供数据显示接口，可以直接驱动4位七段LED数码管，并进行动态扫描显示。

按键根据键盘子系统的服务对象拟设置子数字键(0～9)、功能键（ROW、COL、DAT）、清零键（CLR）共14个，排成4×4的矩阵，有两个未定义。

2 专用键盘接口芯片功能结构设计

根据上述专用键盘芯片KB-CORE的功能要求，图2示出本芯片内部应有的结构框图。[page]



其工作原理如下：（1）键盘扫描控制及编码电路中内含一个环形计数器。该计数器计数输出至KSL[0～3]端作为键盘扫描信号。每当扫描信号发生变化时，键盘扫描控制器从KRL[0～3]端读入某一行按键的状态信号。如果没有按键被按下，则扫描下一行；如果有按键被按下，则控制器锁定被扫描行，并延迟约10ms去抖动，然后再次扫描被锁定行以确定按键是否误读。如果按键被证实按下，则一直等待直至用户松开该键。与此同时，数字键码将被保存到先进先出存储器，功能键则直接产生中断请求信号IRQ，通知CPU读取键码DBO[0～7]。（2）FIFORAM中数据容量为16位。每4位对应一个字形符，所以七段LED数码管需要4位。（3）扫描发生器一方面产生LED的位选信号DSL[0～3]，另一方面产生扫描显示输出控制电路的位数据选通信号。扫描显示输出控制电路根据位数据选通信号读取FIFO RAM中相对应的数据，然后送七段译码电路输出DP[0～6]驱动LED显示屏的段选信号电极。（4）接口控制电路一方面用来识别CPU的读时序；另一方面用来对地址信号线A1A0译码，实现对输出数据的选择。若A0A1=“00”，则输出FIFO RAM中的低字节数据；若A0A1=“01”，则输出FIFO RAM中的高字节数据；若A0A1=“10”，则输出控制数据（表明ROW、COL、DAT中哪一个被按下）；若A0A1=“11”，则不输出FIFO RAM中的任何数据。

3 专用键盘接口芯片核心部分的状态描述与实现

为了实现上述专用键盘接口芯片功能结构，利用可编程逻辑技术对各个功能块进行逻辑的序描述和实现。由于键盘扫描控制和去抖的逻辑时序设计较复杂并具典型性，因此下面将对键盘扫描控制和去抖部分的设计思想进行介绍。

键盘扫描时序的基本原理[4]可能用图3所示的状态图表示。状态图的输入变量为RST(复位)、KEY-PRESS（有按键）、TIMER-OVER（去抖动延时结束）；输出变量包括EN-SCAN（扫描行转移）、EN-CODED（键盘编码启动）、START-TIMER（开启去抖动延时）。从图3中知道，状态S0→S1→S2为按键扫描状态键，状态S3→S4→S5为去抖延时状态链，状态S6为按键保持期。当按键被按下时，进入启动（S3）去抖延时状态链；去抖延时结束后（S5），若按键没有按下则恢复扫描状态键（S0）；若按键确认被按下则进入保持期（S6），并输出按键编码，维持至按键松开。



根据状态图3和上述的状态转移描述，进行键盘扫描控制电路的设计，结果如图4所示。其中H3是6位循环移位寄存器，由时钟CLK触发实时状态移位。移位寄存器的输出Q0～Q5分别代表键盘扫描控制电路的状态S0～S6，当然它们并非一一对应，但实现的功能相同。值得一提的是，如果专用键盘芯片KB-CORE的外部时钟CLK来自单片机的ALE信号（如图1所示），当单片机时钟为6MHz时，则专用键盘芯片KB-CORE的外接时钟为1MHz的方波信号，信号周期为1μs。如果将该时钟信号经过一个分频器，使其输出的信号周期约为Tclk=1μs×2 12≈4ms，然后再作为H3的时钟信号。这意味着键盘扫描控制电路约4ms扫描一行按键。如果H3中的Q2态没有被使用，则可以实现约8ms的去抖动延时。通过这样的设计，可以免除延时计数器，简化电路。



4 专用键盘接口芯片的实现

根据实时数据校正系统的设计要求，使用了34上自定义I/O引脚和PC44封装的CPLD来实现专用键盘接口芯片KB-CORE。芯片型号的选择依据综合所需要的宏单元（Macrocells）个数决定。如果借助硬件描述语言VHDL[5]对上述设计进行描述，综合结果需要约140个宏单元；如果改用原理图输入方式，则只需约60个宏单元。因此选用XC9572芯片可以满足上述专用键盘接口芯片KB-CORE的要求。实际使用如图1和图2所示。操作结果表明键盘接口芯片性能稳定。