在微控制器應用系統中，存在多種形式的外部資料輸入介面介面，例如rs-232c序列通訊、鍵盤輸入等[1,4]。其中利用鍵盤介面輸入資料，是實現現象實時除錯、資料調整和控制最常用的方法。微控制器的外圍鍵盤擴充套件電路有多種實現方式，例如直接利用i/o介面線或外接8255a介面晶元，配合適當的介面管理程式，就可以實現外圍鍵盤擴充套件功能。
但是，在這些方法中，鍵盤擴充套件電路需要占用微控制器的資源對按鍵進行監控和處理，這對要求高實時性處理的微控制器系統是不實現的。為了解決這一問題，可以使用專用鍵盤介面晶元（例如intel8279）[2]來組建鍵盤子系統。而且，這類專用鍵盤介面晶元在使用靈活性方面尚有欠缺，尤其當使用者需要實現某些特定功能時，其缺點更為明顯。
針對上述問題，本文提出一種利用複雜可程式設計邏輯器件（complex programmable logic device，cpld）設計技術[3]實現專用鍵盤介面晶元的方案。
1 系統原理
圖1是微控制器系統中鍵盤子系統的構成原理框圖。其中鍵盤介面晶元kb-core是該子系統的核心部分，它應具備如下功能：第一，產生按鍵掃瞄時序，並進行硬體去抖動。
如果直按鍵按下，實現按鍵編碼、中斷處理等功能。第二，可以區分處理數字鍵和功能鍵。數字鍵鈄由介面晶元暫存，而當功能鍵被按下時申請cpu中斷處理；對多個按鍵同時按下，按一定的編碼優先順序處理。
第三，提供與mcs-51系列微控制器相容的介面，微控制器可以讀取晶元中儲存的資料或功能**。第四，提供資料顯示介面，可以直接驅動4位七段led數碼管，並進行動態掃瞄顯示。
按鍵根據鍵盤子系統的服務物件擬設定子數字鍵(0～9)、功能鍵（row、col、dat）、清零鍵（clr）共14個，排成4×4的矩陣，有兩個未定義。
2 專用鍵盤介面晶元功能結構設計
根據上述專用鍵盤晶元kb-core的功能要求，圖2示出本晶元內部應有的結構框圖。
其工作原理如下：（1）鍵盤掃瞄控制及編碼電路中內含乙個環形計數器。該計數器計數輸出至ksl[0～3]端作為鍵盤掃瞄訊號。
每當掃瞄訊號發生變化時，鍵盤掃瞄控制器從krl[0～3]端讀入某一行按鍵的狀態訊號。如果沒有按鍵被按下，則掃瞄下一行；如果有按鍵被按下，則控制器鎖定被掃瞄行，並延遲約10ms去抖動，然後再次掃瞄被鎖定行以確定按鍵是否誤讀。如果按鍵被證實按下，則一直等待直至使用者鬆開該鍵。
與此同時，數字鍵碼將被儲存到先進先出儲存器，功能鍵則直接產生中斷請求訊號irq，通知cpu讀取鍵碼dbo[0～7]。（2）fiforam中資料容量為16位。每4位對應乙個字形符，所以七段led數碼管需要4位。
（3）掃瞄發生器一方面產生led的位選訊號dsl[0～3]，另一方面產生掃瞄顯示輸出控制電路的位資料選通訊號。掃瞄顯示輸出控制電路根據位資料選通訊號讀取fifo ram中相對應的資料，然後送七段解碼電路輸出dp[0～6]驅動led顯示屏的段選訊號電極。（4）介面控制電路一方面用來識別cpu的讀時序；另一方面用來對位址訊號線a1a0解碼，實現對輸出資料的選擇。
若a0a1=「00」，則輸出fifo ram中的低位元組資料；若a0a1=「01」，則輸出fifo ram中的高位元組資料；若a0a1=「10」，則輸出控制資料（表明row、col、dat中哪乙個被按下）；若a0a1=「11」，則不輸出fifo ram中的任何資料。
3 專用鍵盤介面晶元核心部分的狀態描述與實現
為了實現上述專用鍵盤介面晶元功能結構，利用可程式設計邏輯技術對各個功能塊進行邏輯的序描述和實現。由於鍵盤掃瞄控制和去抖的邏輯時序設計較複雜並具典型性，因此下面將對鍵盤掃瞄控制和去抖部分的設計思想進行介紹。
鍵盤掃瞄時序的基本原理[4]可能用圖3所示的狀態圖表示。狀態圖的輸入變數為rst(復位)、key-press（有按鍵）、timer-over（去抖動延時結束）；輸出變數包括en-scan（掃瞄行轉移）、en-coded（鍵盤編碼啟動）、start-timer（開啟去抖動延時）。從圖3中知道，狀態s0→s1→s2為按鍵掃瞄狀態鍵，狀態s3→s4→s5為去抖延時狀態鏈，狀態s6為按鍵保持期。
當按鍵被按下時，進入啟動（s3）去抖延時狀態鏈；去抖延時結束後（s5），若按鍵沒有按下則恢復掃瞄狀態鍵（s0）；若按鍵確認被按下則進入保持期（s6），並輸出按鍵編碼，維持至按鍵鬆開。
根據狀態圖3和上述的狀態轉移描述，進行鍵盤掃瞄控制電路的設計，結果如圖4所示。其中h3是6位迴圈移位暫存器，由時鐘clk觸發實時狀態移位。移位暫存器的輸出q0～q5分別代表鍵盤掃瞄控制電路的狀態s0～s6，當然它們並非一一對應，但實現的功能相同。
值得一提的是，如果專用鍵盤晶元kb-core的外部時鐘clk來自微控制器的ale訊號（如圖1所示），當微控制器時鐘為6mhz時，則專用鍵盤晶元kb-core的外接時鐘為1mhz的方波訊號，訊號週期為1μs。如果將該時鐘訊號經過乙個分頻器，使其輸出的訊號週期約為tclk=1μs×2 12≈4ms，然後再作為h3的時鐘訊號。這意味著鍵盤掃瞄控制電路約4ms掃瞄一行按鍵。
如果h3中的q2態沒有被使用，則可以實現約8ms的去抖動延時。通過這樣的設計，可以免除延時計數器，簡化電路。
4 專用鍵盤介面晶元的實現
根據實時資料校正系統的設計要求，使用了34上自定義i/o引腳和pc44封裝的cpld來實現專用鍵盤介面晶元kb-core。晶元型號的選擇依據綜合所需要的巨集單元（macrocells）個數決定。如果借助硬體描述語言vhdl[5]對上述設計進行描述，綜合結果需要約140個巨集單元；如果改用原理圖輸入方式，則只需約60個巨集單元。
因此選用xc9572晶元可以滿足上述專用鍵盤介面晶元kb-core的要求。實際使用如圖1和圖2所示。操作結果表明鍵盤介面晶元效能穩定。
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