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基于ARM的矩阵键盘设计及其linux驱动实现

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qq8426030 发表于 2014-7-23 16:54 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

在嵌入式系统开发中,经常通过键盘来实现人机交互。本文介绍了一种直接利用ARM的I/O口扩展矩阵键盘的方法。同时以TQ2440开发板为例,对硬件电路连接和相应的linux驱动设计方法都作了详细说明。
  1.引言
  ARM微处理器已广泛应用于工业控制、消费类电子产品、通信系统等领域。矩阵键盘是一种常用的键盘形式,它将按键设计成M行N列,这样共需M+N根信号线,却可驱动M×N个按键,大大节约了I/O资源。本文介绍了一种利用TQ2440开发板的GPIO口扩展5×4矩阵键盘的方法,并将所有按键重新布局成手持终端的键盘形式,方便操作。
  2.硬件设计
  本设计扩展5行4列的矩阵键盘,如图1所示。其中行线ROW1-ROW5连接S3C2440的中断引脚EINT8,EINT9,EINT11,EINT13,EINT14[1].这些中断引脚本身连有10kΩ的上拉电阻,把中断引脚电平拉高,麦|斯|艾|姆|P|CB|样板|贴片|麦|斯|艾|姆|科|技|全国|首家P|CB样板打板。确保按键空闲时不会触发中断。列线COL1-COL4连接S3C2440的普通I/O口GPF3,GPF4,GPG7,GPG10.这里需要注意的问题是:确保行线所用的中断在Linux的其他设备中均未使用到,否则会引起该驱动程序或其他驱动程序初始化失败。
  file:///C:\Users\liangkai\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps_clip_image-2327.png
  考虑到手持终端设备按键的常用性与操作的方便性,只取矩阵键盘的前18键,并将它们重新布局为图2的形式。其中Ent键具有二重功能,即确认功能(短按)和开关机功能(长按),此功能将在驱动程序中实现。
  file:///C:\Users\liangkai\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps_clip_image-24230.png
  3.矩阵键盘的Linux驱动程序设计
  3.1 键盘驱动总体概述
  驱动程序是操作系统内核和硬件设备之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节,使应用程序可以像操作普通文件一样操作硬件设备[2].驱动程序没有main函数,它以一个模块初始化函数作为入口,并且它完成初始化之后不再运行,等待系统调用。
  驱动程序是linux内核的一部分,所以在程序编写上要采用linux的表达方式。首先将列I/O端口定义为数组:col_table [] ={ S3C2410_GPF3,S3C2410_GPF4, …},行I/O端口定义为结构型:
  button_irqs [] ={ {IRQ_EINT8,S3C2410_GPG0,S3C2410_GPG0_EINT8, 0,“R1″},
  {IRQ_EINT9,S3C2410_GPG1,S3C2410_GPG1_EINT9, 1,”R2″},
  …}.//中断号(irq),引脚(pin),引脚设置,序号,名称
  矩阵键盘是作为Linux的一个字符设备注册到系统中的。我们首先向系统注册矩阵键盘设备,包括设备号,设备名及file_operations结构体;file_operations结构体的成员函数是字符设备驱动程序设计的主体内容,麦|斯|艾|姆|P|CB|样板|贴片|麦|斯|艾|姆|科|技|全国|首家P|CB样板打板。这些函数实际会在应用程序进行Linux的open()、write()、read()、close()等系统调用时最终被调用[3].用户对键盘没有写操作,其file_operations结构体的成员函数为open()、read()、close()、poll()。
  中断的注册和行列初始化在打开键盘时(即open()函数中)实现。注册中断包括:中断号,中断入口程序,中断方式,中断名和代号。关键语句为:request_irq(button_irqs.irq,buttons_interrupt,IRQ_TYPE_EDGE_FALLING,button_irqs.name,(void*)&button_irqs)。IRQ_TYPE_EDGE_FALLING意思为下降沿触发。然后再进行行列初始化:设置行线为中断,使能上拉,在linux中其表达方式为:
  s3c2410_gpio_cfgpin(button_irqs.
  pin,S3C2410_GPIO_SFN2); //设置第i行引脚为中断
  s3c2410_gpio_pullup(button_irqs.
  pin,1); //第i行引脚上拉
  设置列线为输出,置低电平。语句表达同理,由于篇幅所限,这里不再一一列出。
  read()函数实现从设备中读取数据。该函数实现无按键按下时程序进入休眠,关键代码:
  static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq); //生成一个等待队列头队列,名为button_waitq
  static volatile int ev_press = 0;//置1,表示有键按下
  ev_press为0时执行语句:wait_event_interruptible(button_waitq,ev_press),程序即进入休眠。ev_press为1时把数据从内核空间复制到用户空间,关键语句:
  copy_to_user(buff,(const void *)key_values,min(sizeof(key_values),count));//buff为用户空间的指针,麦|斯|艾|姆|P|CB|样板|贴片|麦|斯|艾|姆|科|技|全国|首家P|CB样板打板。key_values为内核空间指针,最后一个参数为从内核空间向用户空间拷贝数据的字节数,我们取实际大小与用户指定大小中的最小值。数据复制成功时返回零;出错时返回没有复制成功的数据字节数。
  close()函数实现关闭矩阵键盘设备,释放已注册的中断,关键语句:free_irq(button_irqs.irq,(void *)&button_irqs)。
  Poll()函数实现轮询,如果没有按键数据,调用linux的poll_wait函数等待;如果有按键数据,则select函数会立刻返回。
  3.2 中断处理及键盘扫描程序
  中断处理函数的名称为上面注册的buttons_interrupt.具体程序流程如图3所示。当有按键按下时,该键所在行列导通。列的低电平将该行电平拉低,进而触发中断。然后,进入中断处理函数。由于按键存在抖动的问题,单靠一次中断的触发就判定有按键按下是不可靠的,所以采用定时器延时10ms后再进入键盘扫描函数。
  file:///C:\Users\liangkai\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps_clip_image-1587.png
  本设计的键盘扫描程序采用先确定行再确定列的方法,最后对行列进行一定的运算即得键值。首先确定行:逐行扫描,判断是否有行引脚为低电平。麦|斯|艾|姆|P|CB|样板|贴片|麦|斯|艾|姆|科|技|全国|首家P|CB样板打板。若有,保存该行值(row)。继续确定列:逐列置低电平,当该列为按下所在列时,才会使该行再次为低电平,从而确定列(column)。再对行列进行运算:k=row*4+column,则将矩阵键盘的每一键对应为键号0-19.键盘布局为图2所示形式后,我们只取矩阵键盘的前18键(键号0-17),键值保存为k+1.对于Ent键,通过按下的时间长短区分是确定功能还是开关机功能,按下时间小于0.5秒为确认功能,按下时间大于1.6秒为开关机功能,时间在0.5秒-1.6秒的视为无效操作。计时方法为:
  若该行仍为低电平且整数cnt小于1700:延时1ms,cnt++;根据cnt值即得按下时间。
  开关机功能保存为第18键号,键值19.
  4.驱动程序的测试
  测试程序属于上层应用程序,直接调用键盘驱动程序提供的接口即可实现度键盘的操作。我们调用open()函数实现矩阵键盘设备的打开,再调用read()函数即可将键盘数据读取出来并保存到自己定义的数组中,麦|斯|艾|姆|P|CB|样板|贴片|麦|斯|艾|姆|科|技|全国|首家P|CB样板打板。最后使用printf()函数将测试结果显示出来。
  功运用到笔者的项目中,键盘输入的正确率和反应时间均符合设计要求。
  5.总结
  本文介绍了一种直接从ARM的I/O口扩展矩阵键盘的方法,它无需增加其它接口元器件,设计快速实用,并实现了在Linux系统下的驱动,为ARM嵌入式设备扩展手持终端式键盘提供了一种解决方案。
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