摘要：對用于單片機的鍵盤子系統的專用鍵盤接口芯片進行功能分析，就芯片中核心部件的時序設計進行狀態描述，并利用可編程邏輯技術和原理輸入方式對鍵盤接口芯片的內部結構加以實現。

關鍵詞：鍵盤子系統 專用鍵盤接口 CPLD 狀態描述

在單片機應用系統中，存在多種形式的外部數據輸入接口界面，例如RS-232C串行通信、鍵盤輸入等[1,4]。其中利用鍵盤接口輸入數據，是實現現象實時調試、數據調整和控制最常用的方法。單片機的外圍鍵盤擴展電路有多種實現方式，例如直接利用I/O接口線或外接8255A接口芯片，配合適當的接口管理程序，就可以實現外圍鍵盤擴展功能。但是，在這些方法中，鍵盤擴展電路需要占用單片機的資源對按鍵進行監控和處理，這對要求高實時性處理的單片機系統是不實現的。為了解決這一問題，可以使用專用鍵盤接口芯片（例如Intel8279）[2]來組建鍵盤子系統。而且，這類專用鍵盤接口芯片在使用靈活性方面尚有欠缺，尤其當用戶需要實現某些特定功能時，其缺點更為明顯。針對上述問題，本文提出一種利用復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）設計技術[3]實現專用鍵盤接口芯片的方案。

1 系統原理

圖1是單片機系統中鍵盤子系統的構成原理框圖。其中鍵盤接口芯片KB-CORE是該子系統的核心部分，它應具備如下功能：第一，產生按鍵掃描時序，并進行硬件去抖動。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。數字鍵鈄由接口芯片暫存，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，按一定的編碼優先級處理。第三，提供與MCS-51系列單片機兼容的接口，單片機可以讀取芯片中保存的數據或功能代碼。第四，提供數據顯示接口，可以直接驅動4位七段LED數碼管，并進行動態掃描顯示。

按鍵根據鍵盤子系統的服務對象擬設置子數字鍵(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 專用鍵盤接口芯片功能結構設計

根據上述專用鍵盤芯片KB-CORE的功能要求，圖2示出本芯片內部應有的結構框圖。

其工作原理如下：（1）鍵盤掃描控制及編碼電路中內含一個環形計數器。該計數器計數輸出至KSL[0～3]端作為鍵盤掃描信號。每當掃描信號發生變化時，鍵盤掃描控制器從KRL[0～3]端讀入某一行按鍵的狀態信號。如果沒有按鍵被按下，則掃描下一行；如果有按鍵被按下，則控制器鎖定被掃描行，并延遲約10ms去抖動，然后再次掃描被鎖定行以確定按鍵是否誤讀。如果按鍵被證實按下，則一直等待直至用戶松開該鍵。與此同時，數字鍵碼將被保存到先進先出存儲器，功能鍵則直接產生中斷請求信號IRQ，通知CPU讀取鍵碼DBO[0～7]。（2）FIFORAM中數據容量為16位。每4位對應一個字形符，所以七段LED數碼管需要4位。（3）掃描發生器一方面產生LED的位選信號DSL[0～3]，另一方面產生掃描顯示輸出控制電路的位數據選通信號。掃描顯示輸出控制電路根據位數據選通信號讀取FIFO RAM中相對應的數據，然后送七段譯碼電路輸出DP[0～6]驅動LED顯示屏的段選信號電極。（4）接口控制電路一方面用來識別CPU的讀時序；另一方面用來對地址信號線A1A0譯碼，實現對輸出數據的選擇。若A0A1=“00”，則輸出FIFO RAM中的低字節數據；若A0A1=“01”，則輸出FIFO RAM中的高字節數據；若A0A1=“10”，則輸出控制數據（表明ROW、COL、DAT中哪一個被按下）；若A0A1=“11”，則不輸出FIFO RAM中的任何數據。

3 專用鍵盤接口芯片核心部分的狀態描述與實現

為了實現上述專用鍵盤接口芯片功能結構，利用可編程邏輯技術對各個功能塊進行邏輯的序描述和實現。由于鍵盤掃描控制和去抖的邏輯時序設計較復雜并具典型性，因此下面將對鍵盤掃描控制和去抖部分的設計思想進行介紹。

鍵盤掃描時序的基本原理[4]可能用圖3所示的狀態圖表示。狀態圖的輸入變量為RST(復位)、KEY-PRESS（有按鍵）、TIMER-OVER（去抖動延時結束）；輸出變量包括EN-SCAN（掃描行轉移）、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為按鍵掃描狀態鍵，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；去抖延時結束后（S5），若按鍵沒有按下則恢復掃描狀態鍵（S0）；若按鍵確認被按下則進入保持期（S6），并輸出按鍵編碼，維持至按鍵松開。

根據狀態圖3和上述的狀態轉移描述，進行鍵盤掃描控制電路的設計，結果如圖4所示。其中H3是6位循環移位寄存器，由時鐘CLK觸發實時狀態移位。移位寄存器的輸出Q0～Q5分別代表鍵盤掃描控制電路的狀態S0～S6，當然它們并非一一對應，但實現的功能相同。值得一提的是，如果專用鍵盤芯片KB-CORE的外部時鐘CLK來自單片機的ALE信號（如圖1所示），當單片機時鐘為6MHz時，則專用鍵盤芯片KB-CORE的外接時鐘為1MHz的方波信號，信號周期為1μs。如果將該時鐘信號經過一個分頻器，使其輸出的信號周期約為Tclk=1μs×2 12≈4ms，然后再作為H3的時鐘信號。這意味著鍵盤掃描控制電路約4ms掃描一行按鍵。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 專用鍵盤接口芯片的實現

根據實時數據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來實現專用鍵盤接口芯片KB-CORE。芯片型號的選擇依據綜合所需要的宏單元（Macrocells）個數決定。如果借助硬件描述語言VHDL[5]對上述設計進行描述，綜合結果需要約140個宏單元；如果改用原理圖輸入方式，則只需約60個宏單元。因此選用XC9572芯片可以滿足上述專用鍵盤接口芯片KB-CORE的要求。實際使用如圖1和圖2所示。操作結果表明鍵盤接口芯片性能穩定。