专用键盘接口芯片的一种CPLD实现方案

    关键词：键盘子系统 专用键盘接口 CPLD 状态描述

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，是实现现象实时调试、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实现的。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。而且，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。
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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。如果直按键按下，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。数字键钭由接口芯片暂存，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子数字键(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）FIFORAM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的序描述和实现。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]可能用图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为按键扫描状态键，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键（S0）；