基于Murphypinyin的嵌入式鍵盤設計

引? 言
　隨著嵌入式系統的飛速發展，在嵌入式手持設備中，人機交互設備是與用戶接觸最多的部分，最能夠直接快速地體現出該設備的性能。所以，是否有一個友好的、快速的、可靠的人機交互設備已經成為衡量一款手持設備的重要指標。在嵌入式人機交互設備中，鍵盤由于其具有很高的準確性和可靠性，能夠適應各種惡劣的工作環境，并且具有很長的使用壽命，而得到廣泛應用。

　　本文根據手持終端的特點，設計出一款矩陣鍵盤，并在Linux平臺下開發出鍵盤的驅動程序。采用Qt／Embedded構建圖形界面，通過對 Qt／Embedded自帶輸入法的分析，結合Murphpinyin中文輸入法軟件包，構建了一款可輸入數字、中／英文的嵌入式鍵盤。

　　1? 硬件設計

　　本系統的硬件部分主要是一個4列5行的矩陣鍵盤，如圖1所示。其中列線COL0～COL3使用了S3C2440的4個中斷引腳——EINT10、ENIT13、EINT15、EINT20，并且每根列線都有一個4.7 kΩ的上拉電路，把中斷引腳電平拉高，確保按鍵空閑時不會觸發中斷；行線ROW0～ROW4使用的是S3C2440的5個普通I／O口——GPE11、GPE13、GPG3、GPG6、GPG11。這里需要注意的問題是，一定要確保列線所用的中斷在Linux的各個設備中尚未使用到，否則在后面的驅動程序中將會造成驅動程序初始化失敗。

　　考慮到手持終端操作的方便性，將所有的按鍵進行重新布局，如圖2所示。為了延長手持設備的使用壽命、提高可靠性，增加了電源按鍵Power。另外，考慮到手持設備的低功耗要求，增加了背光控制按鈕Back-Light，通過控制LCD_PWREN引腳的高低電平，控制LCD背光的開關。其中電源按鍵Power、背光控制按鍵BackLight為單獨按鍵，直接與S3C2440的中斷引腳相連。本文重點對矩陣鍵盤做詳細介紹，電源按鍵和背光控制按鍵的處理機制與矩陣鍵盤類似，這里不再做介紹。

　　2? 軟件設計

　　2.1? 矩陣鍵盤的Linux驅動程序設計

　　矩陣鍵盤是作為Linux的一個字符設備注冊到系統中的。為了降低對系統資源的損耗，采用中斷處理函數對按鍵做處理；同時考慮到按鍵的抖動問題，采用定時器來消除抖動。

　　該驅動程序的流程如圖3所示。首先，使用S3C2440_Kb_init()函數將鍵盤作為一個字符設備進行注冊，初始化行線引腳為：輸出、非上拉，并將所有行輸出置為低電平；注冊該鍵盤設備。初始化列線所連接的中斷引腳為：輸入、下降沿觸發中斷，并建立中斷與中斷處理函數Key_interrupt()的連接。

　　當有按鍵按下后，由于所有的行為低電平，必然有一行和一列線導通，從而將相應的列線拉低，觸發中斷。然后，中斷處理函數 Key_interrupt()記錄相應的中斷號碼，由于按鍵存在抖動，單憑一次中斷的觸發就判定相應的按鍵按下很不可靠，所以在中斷觸發后開啟定時器 kb_timer對按鍵狀態再次進行判定。

　　上層應用程序使用S3C2440_Kb_open ()打開鍵盤設備，開啟列線中斷，初始化定時器。當中斷觸發后，開啟定時器，定時器定時時間到后，觸發定時器中斷kb_timer_handler()。 kb_timer_handler()首先會調用鍵盤掃描函數Scan_keyboard()掃描按鍵狀態，Scan_keyboard()流程如圖4所示。如果經過3次鍵盤掃描，每次都掃描到相同的按鍵值被按下，則證明確實有按鍵被按下，Scan_keyboard()函數返回：KEYDOWN。如果按本次按鍵值與上一次按鍵值不同，則保存本次按鍵值到循環隊列，這樣可以不保存重復數據到緩沖隊列。如果連續10次掃描到按鍵的狀態都不為 KEY_DOWN，則證明按鍵已經彈起，關閉定時器kb_timer。

　　S3C2440_Kb_read()函數負責從循環隊列中讀取按鍵值反饋給上層應用程序。

　　2.2? Qt／Embedded的鍵盤映射

　　Qt／Embedded是Trolltech公司針對采用嵌人式Linux的電子設備開發的綜合應用平臺。Qt／Embedded包含完整的應用層、靈活的用戶界面、窗口操作系統、應用程序以及開發框架。

　　Qt／Embedded本身提供了對按鍵的支持，它在文件qkeyboard_qws．cpp中提供了一個 QWSKeyboardHandler類來處理按鍵事件。本系統創建了QWSKeyboardHandler類的一個子類 QWSKEYMATRIXHandler。在QWSKEYMATRIXHandler類的構造函數中，通過open()函數打開矩陣鍵盤 key_matrix，通過對打開的鍵盤設備創建一個QscoketNotifer來監控按鍵設備，通過信號與槽機制，建立該 QscoketNotifer與讀鍵盤函數ReadKeyboardData()的連接，當key_matrix被激活時，就會觸發讀鍵盤函數 ReadKeyboardData()。代碼如下：

　　notifier=new QSocketNotifier(key_matrix，QSock-etNotifier：：Read，this)；

　　connect(notifier，SIGNAL(activated(int))，this，SLOT(ReadKeyboardData()))；

　　在讀鍵盤函數ReadKeyboardData()中，調用矩陣鍵盤驅動程序的讀函數Read()來獲取按鍵值。為了使得按鍵值能夠傳送給應用程序，要使用QWSKeyboardHandler類的成員函數processKeyEvent(int unicode，int keycode，int modifiers，bool isPress，bool autoRepeat)，各參數功能如下：

　?、賃nicode：按鍵的Unicode編碼，如數字1的unicode編碼為1，字母A的unicode編碼為A。如果該項為0，則為功能鍵Shift、Left、Right等；如果該項為0xFFFF，則只傳送鍵值keycode，不打印編碼。

　?、贙eycode：Qt中使用的按鍵名稱，如Qt：：Key_Backspace、Qt：：Key_Enter等。

　?、跰odifiers：Qt所支持的鍵盤組合鍵。

　?、躨sPress：判斷按鍵的狀態是“按下”還是“彈起”。

　?、輆utoRepeat：判斷本次事件是有自動重復機制產生，還是由一個現實中的按鍵產生。

　　通過processKeyEvent()函數可以發送數字、小寫英文、大寫英文，但是目前Qt／Embedded上沒有中文輸入法，不能輸入中文。

　　2.3 Murphpinyin拼音輸入法的移植

　　Murphypinyin是目前為止基于Qt／Embedded的一個比較好的開源中文輸入法，而且Murphypinyin帶有軟鍵盤，用戶可以通過觸摸屏輸入中文、英文、數字和符號等。對于Murphypinyin到Qt／Embedded的移植，網絡上有很多參考資料，這里不再作介紹。

　　但是將Murphypinyin應用到手持終端上目前還有一個問題：Murphypinyin帶有的軟鍵盤是標準的PC101鍵盤，按鍵數量很多。在對體積、重量要求很苛刻的手持終端上，觸摸屏本身的尺寸受到嚴重的制約，PC101鍵盤會占據觸摸屏的大部分顯示面積；而且單個按鍵所占面積很小，從而對觸摸屏的定位精度要求很高。然而觸摸屏本身受周圍環境的影響較大，很容易造成定位不準。本系統將矩陣鍵盤映射到Murphypinyin上，通過矩陣鍵盤輸入中文、英文和數字，這樣在手持終端上可以使用普通的LCD，從而降低了系統成本、提高了系統的可靠性。

　　首先考慮的問題是：如何用鍵盤打開Murphypinyin輸入法?這里可以修改Murphypinyin軟件包中的PinyinFrame.cpp文件中的：

　　boot QPinyinFrame：：filter(int unicode，int keycode，int modifiers，bool isPress，bool autoRepeat)

　　其中：if(!isHidden()&& isPress)語句用來判斷Murphypinyin輸入法是否已經打開并且有按鍵按下。如果是，則判斷當前是中文模式、還是英文模式。中文模式則調用 GetKey(unicode，keycode)函數，根據輸入的拼音搜索漢字；英文模式則調用SendKey(unicode，keycode)函數發送大寫或小寫英文字母。如果unicode==9＆＆keycode==Qt：：Key_Tab，則進行中英文切換。在這里可以添加判斷語句：if (keycode==Qt：：Key NumLock)。當NumLock按鍵按下時，調用：QPinyinFrame：：sizeHint()和QPinyinFrame：：show()兩個函數來開啟Murphypinyin輸入法界面。如果再次按下NumLock按鍵，則調用QPinyinFrame：：hide()來隱藏輸入法界面。

　　用鍵盤打開Murphypinyin輸入法之后，可以通過鍵盤發送拼音字母來輸入漢字。通過發送unicode=9＆＆keycode==Qt：：Key_Tab來進行中英文切換。

　　2.4按鍵復用

　　由于手持終端設備對自身的體積有嚴格的要求，為了縮小鍵盤的體積，本系統模仿手機鍵盤的布局，采用按鍵復用的方式來縮小鍵盤大小。將26個英文字母按字母表順序3個或4個一組依次排列在2～9這8個數字鍵上，并與阿拉伯數字進行復用(見圖2)。

　　硬件上的簡化必然導致軟件復雜度的增加。為了使得系統能夠在按下一個按鍵后自動識別是數字、英文大寫字母、英文小寫還是拼音字母，需要修改 Qt／Embedded中qkeyboard_qws．cpp的QWSKEYMATRIXHandler：：ReadKeyboardData()函數。

　　當有按鍵按下后，首先需要判斷當前是處于何種模式：數字、拼音、小寫英文還是大寫英文模式，實現流程如圖5所示。通過NumLock按鍵和狀態標志字English-Mode來進行數字狀態和其他幾個狀態的切換。通過Tab按鍵來進行中、英文模式的切換，通過CapsLock按鍵來進行英文大小寫字母的切換。

　　為了使一個按鍵能夠輸入不同的字符，本系統使用不同的key_ID值來標識各個字符，這樣，每按一次鍵都是不同的。圖6是對于按鍵2的復用過程。根據不同的key_ID結合當前所處的輸入模式，發送相應的數字、小寫英文或大寫英文字符。

　　3? 總? 結

　　本文介紹了基于S3C2440的矩陣鍵盤的硬件設計方法和軟件的驅動開發方法，通過將Murphpinyin開源軟件包與Qt／Embeded自帶輸入法的融合，使用按鍵復用的策略，采用較少的按鍵，構建了一款可輸入數字、中／英文的嵌入式鍵盤，并在S3C2440上實現。為手持終端提供了一種嵌入式鍵盤的解決方案。