郭京，沈華, 段小虎

　?。ㄖ泻焦I(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

        摘要：矩陣鍵盤(pán)是人機(jī)交互的重要設(shè)備。實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，用戶通過(guò)鍵盤(pán)按鍵產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路送到掃描電路，最終傳給處理器電路，從而完成人機(jī)交互。在這個(gè)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)傳遞信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)決定著整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作。在驅(qū)動(dòng)電路中引入高阻設(shè)計(jì)后，可以避免多個(gè)按鍵同時(shí)按下時(shí)矩陣鍵盤(pán)內(nèi)部電路發(fā)生短路的情況，能讓整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路更加可靠。

　　關(guān)鍵詞：矩陣鍵盤(pán)；驅(qū)動(dòng)電路；高阻設(shè)計(jì)

　　中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.009

　　引用格式：郭京，沈華, 段小虎.矩陣鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)電路的高阻設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（8）：26-27,30.

0引言

　　隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的工業(yè)控制設(shè)備和移動(dòng)終端設(shè)備得到廣泛的應(yīng)用，這些設(shè)備通稱為嵌入式系統(tǒng)。IEEE( 國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)) 對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義為“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。在這些嵌入式系統(tǒng)中，鍵盤(pán)作為人機(jī)交互的重要手段，是應(yīng)用最為廣泛的輸入設(shè)備之一。當(dāng)按鍵較少時(shí)，采用獨(dú)立式鍵盤(pán)，當(dāng)按鍵較多時(shí)，采用矩陣式鍵盤(pán)，矩陣鍵盤(pán)是人機(jī)交互的重要設(shè)備［1］。實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，用戶通過(guò)鍵盤(pán)按鍵產(chǎn)生激勵(lì)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后送到掃描電路，最終傳給處理器電路，從而完成人機(jī)交互。驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)整個(gè)過(guò)程中的信號(hào)傳遞，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)決定著整個(gè)矩陣鍵盤(pán)能否正常工作。為了避免多個(gè)按鍵同時(shí)按下時(shí)矩陣鍵盤(pán)內(nèi)部電路發(fā)生短路的情況，本文提出一種矩陣鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)電路的高阻態(tài)設(shè)計(jì)方法。

1矩陣鍵盤(pán)的應(yīng)用模式

　　本設(shè)計(jì)中矩陣鍵盤(pán)的硬件架構(gòu)如圖1所示。圖1中的矩陣鍵盤(pán)為6行4列，每行和每列在默認(rèn)狀態(tài)下是不連接的，當(dāng)某一個(gè)按鈕按下時(shí)，交叉處的行與列相連接。

　　為了獲得按鍵的位置信息，通常的做法是模塊不停地在行信號(hào)上循環(huán)輸出掃描信息，并監(jiān)控列信號(hào)的狀態(tài)，根據(jù)這兩者的組合來(lái)判斷是否有按鍵被按下以及被按下的按鍵的行列位置坐標(biāo)。

2矩陣鍵盤(pán)的電路設(shè)計(jì)

　　2.1硬件平臺(tái)的構(gòu)架

　　圖1矩陣鍵盤(pán)的硬件架構(gòu)如圖1所示，模塊內(nèi)通過(guò)FPGA內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)循環(huán)向矩陣鍵盤(pán)的行信號(hào)發(fā)出“011111”，“101111”，“110111”，“111011”，“111101”，“111110”的電平進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，然后監(jiān)控鍵盤(pán)列信號(hào)的狀態(tài)，當(dāng)未發(fā)現(xiàn)按鍵按下時(shí)，不停地進(jìn)行此循環(huán)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)按鍵按下時(shí)，則暫停循環(huán)，直到按鍵釋放后再繼續(xù)循環(huán)掃描［2］。

　　若鍵盤(pán)沒(méi)有任何鍵被按下，則鍵盤(pán)的列信號(hào)為開(kāi)路，但由于模塊內(nèi)部對(duì)每個(gè)列信號(hào)進(jìn)行了電阻上拉，因此鍵盤(pán)沒(méi)有任何按鍵按下時(shí)，列信號(hào)為全1。當(dāng)鍵盤(pán)被按下某個(gè)鍵時(shí)，如圖1所示，按下了坐標(biāo)為（行=3,列=2）的鍵,其對(duì)應(yīng)的行、列信號(hào)在按鍵處被導(dǎo)通，則FPGA狀態(tài)機(jī)循環(huán)在進(jìn)行到將行信號(hào)輸出為“111011”時(shí)，則采集到列信號(hào)的值為“1101”，不是全1，則表示此時(shí)有按鍵被按下，并且在此時(shí)根據(jù)行信號(hào)的輸出值和列信號(hào)的輸入值判斷出當(dāng)前被按下的按鍵的位置。FPGA的狀態(tài)機(jī)在此時(shí)停止循環(huán)，并且將按鍵被按下的事件作為中斷通知處理器，并提供按鍵的坐標(biāo)。然后待該按鍵被釋放后，則列信號(hào)重新變?yōu)槿?，表示按鍵被釋放，然后FPGA的狀態(tài)機(jī)繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)。

　　2.2驅(qū)動(dòng)電路分析

　　這樣的一種設(shè)計(jì)架構(gòu)和應(yīng)用方式對(duì)于僅有單獨(dú)按鍵被按下的情況是可以正常使用的，但是用戶在長(zhǎng)按住某個(gè)按鍵時(shí)，同時(shí)按下另一個(gè)同列的按鍵，驅(qū)動(dòng)電路會(huì)發(fā)生預(yù)期之外的現(xiàn)象。原因如圖2所示。

　　當(dāng)按下（行=3,列=2）的按鍵時(shí)，據(jù)前文所述，列信號(hào)應(yīng)該為“1101”，若在長(zhǎng)時(shí)間按下（行=3,列=2）的按鍵時(shí)，同時(shí)按下（行=5,列=2）的按鍵，則電路發(fā)生如圖2所示的變化，矩陣鍵盤(pán)的第3行、第5行、第2列的信號(hào)都連接了起來(lái)，由于此時(shí)行信號(hào)輸出為“111011”，所以發(fā)生了如圖中虛線箭頭方向的電流回路，行信號(hào)5的高電平輸出和行信號(hào)3的低電平輸出發(fā)生了短路，從而導(dǎo)致列信號(hào)2的電平由原來(lái)的0變?yōu)榱薞CC/2，驅(qū)動(dòng)電路在采集到列信號(hào)2為VCC/2后，向FPGA驅(qū)動(dòng)輸出高電平，所以FPGA端會(huì)采集到列信號(hào)變?yōu)槿?。然后當(dāng)（行=5,列=2）的按鍵被釋放后，電路恢復(fù)到僅有（行=3,列=2）的按鍵被按下的狀態(tài)，列信號(hào)重新變?yōu)椤?101”。

　　上述過(guò)程如表1所示,在長(zhǎng)時(shí)間按住某個(gè)按鍵時(shí)，同時(shí)按下并釋放另一個(gè)同列的按鍵時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路傳出的信號(hào)會(huì)讓FPGA認(rèn)為首先被按下的按鍵被按了兩次，從而導(dǎo)致與預(yù)期不符的混亂。并且如果同時(shí)按下同列的兩個(gè)按鍵，則會(huì)發(fā)生高電平輸出與低電平輸出短接的問(wèn)題，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路管腳也有所損害。

　　2.3驅(qū)動(dòng)電路的高阻態(tài)設(shè)計(jì)

　　由于FPGA對(duì)于列信號(hào)的狀態(tài)采集無(wú)法將上述的例外情況與正常的按鍵釋放相區(qū)別，所以需要設(shè)計(jì)一種新的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，一種改進(jìn)方式如圖3所示,將行信號(hào)驅(qū)動(dòng)循環(huán)由原有的“011111”，“101111”，“110111”，“111011”，“111101”，“111110”更改為“0ZZZZZ”，“Z0ZZZZ”，“ZZ0ZZZ”，“ZZZ0ZZ”，“ZZZZ0Z”，“ZZZZZ0”，Z表示高阻。由于列信號(hào)有電阻進(jìn)行上拉，所以仍然可以與之前一樣正常工作。

　　這樣更改后，當(dāng)在一個(gè)按鍵按下后，再同時(shí)按下非本行內(nèi)的其他鍵時(shí)，不會(huì)對(duì)電路造成任何影響，更不會(huì)產(chǎn)生矩陣鍵盤(pán)內(nèi)部短路，即使按下本行的其他鍵，由于不會(huì)使得列信號(hào)變?yōu)槿?，因此FPGA不會(huì)認(rèn)為按鍵被釋放掉，不會(huì)產(chǎn)生新的事件，從而也不會(huì)造成影響。

　　驅(qū)動(dòng)電路使用的驅(qū)動(dòng)器必須能夠輸出高阻態(tài)，應(yīng)該使用open drain的驅(qū)動(dòng)器來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，例如使用74HC05芯片。74HC05芯片的真值表如表2所示。

　　2.4矩陣鍵盤(pán)電路的具體實(shí)現(xiàn)

　　經(jīng)以上分析，一個(gè)比較完備的矩陣鍵盤(pán)電路應(yīng)如圖4所示。

　　將驅(qū)動(dòng)芯片后端加74HC05芯片可將高電平轉(zhuǎn)換成高阻態(tài)輸出，達(dá)到高阻態(tài)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求。

3結(jié)論

　　驅(qū)動(dòng)電路中引入高阻設(shè)計(jì)可以避免多個(gè)按鍵同時(shí)按下時(shí)矩陣鍵盤(pán)內(nèi)部電路發(fā)生短路的情況，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路更加可靠。

參考文獻(xiàn)

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