基于CPLD的专用键盘接口芯片的方案设计

在单片机应用系统中，存在多种形式的外部数据输入接口界面，例如RS-232C串行通信、键盘输入等[1,4] 。其中利用键盘接口输入数据，是实现现场实时调试、数据调整和控制最常用的方法。单片机的外围键盘扩展电路有多种实现方式，例如直接利用I/O接口线或外接8255A接口芯片，配合适当的接口管理程序，就可以实现外围键盘扩展功能。但是，在这些方法中，键盘扩展电路需要占用单片机的资源对按键进行监控和处理，这对要求高实时性处理的单片机系统是不现实的。

为了解决这一问题，可以使用专用键盘接口芯片(例如Intel8279) [2]来组建键盘子系统。然而，这类专用键盘接口芯片在使用灵活性方面尚有欠缺，尤其当用户需要实现某些特定功能时，其缺点更为明显。针对上述问题，本文提出一种利用复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)设计技术[3]实现专用键盘接口芯片的方案。

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。如果有按键按下，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。数字键将由接口芯片暂存，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了数字键(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。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)FIFO RAM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时序描述和实现。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]可以用图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为按键扫描状态链，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链(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触发实现状态移位。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×212≈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个自定义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。