基于ADSP-BF561的嵌入式键盘设计

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1 引言
         随着电子信息技术的飞速发展，信息家电和各式各样的移动终端得到越来越广泛的应用。在这些人机交互（ HMI）较频繁的嵌入式系统中，键盘是一种应用昀为广泛的输入设备。由于嵌入式系统具有功耗低、体积小、专用性强等特点，因此嵌入式键盘常常要求具有特殊的工作方式和特定的驱动设计。
      本文讨论了基于 ADSP-BF561的非编码矩阵键盘的硬件设计，并详细阐述和分析了键盘驱动程序实现中的关键问题。ADSP-BF561是 Analog Devices Inc.推出的针对多媒体和通信应用方面的一款高性能 DSP产品，具有快速的数据处理能力和丰富的外设接口，已广泛使用在各种网络多媒体应用中。
    该键盘设计已应用于一款以 uClinux 2.6和 ADSP-BF561作为软硬件核心的网络视频电话终端产品，在实际应用中表现出较好的稳定性和实时性。
2 硬件设计方案
        键盘的结构通常有两种形式：线性键盘和矩阵键盘。在线性键盘中，每个按键都和一个 I/O口连接，资源利用率不高，一般只适用于按键较少的场合。矩阵键盘连接方式利用(N+M)个 I/O口，可以输入 (N×M)个按键开关。根据矩阵键盘识别键值方式的不同，又可分为编码式键盘和非编码键盘两种。
本设计采用非编码矩阵键盘实现。键盘电路由 5根行线和 6根列线组成，共使用 BF561的 11个 GPIO（General purpose I/O port，通用输入输出）口，其接口电路如图 1所示。
  

图1键盘接口电路图
        该矩阵电路的 5个行引脚分别被接到 BF561的 GPIO43-GPIO47端口上，并且这五个端口被配置成输入口，共用一个中断源。同时，将 6根列线分别接到 BF561的GPIO37-GPIO42端口上，配置为输出口。在矩阵键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处都不直接连通，而是通过一个按键加以连接。当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下，由于列线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线（行线）就会被拉低，这样便可以通过 GPIO口产生中断，通知处理器有键按下。
3 键盘驱动的实现
     本设计利用 GPIO口来直接扫描矩阵键盘，从而简化了扫描电路的设计，降低了成本，但键盘的消抖、扫描等问题都需由软件来妥善解决。
3.1 按键消抖
       当按键被按下或抬起的瞬间，由于触点的弹性作用，会产生机械抖动，一般持续几毫秒到十几毫秒。这种抖动对于用户来说是感觉不到的，但嵌入式系统微处理器的运行速度（即便是采用低速晶振）相对于人的手动动作是非常迅速的（处理器的速度是在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级的）。因此，有可能只按了一次按键，可是处理器却已执行了多次中断的操作。
      为了避免将用户的一次按键误当作几次按键来处理，必须要想办法去掉这种抖动。本文通过 uClinux提供的定时器机制，利用定时时间取代传统的忙等方法，提高了系统的性能。当键盘上有键被按下时，键盘中断处理程序被触发，其主要实现流程如下：
static void key_enter_irq(int idx, void *id)
{
关中断；
kbd_Scan_timer.expires = jiffies + 2;   //指定定时器到期的时间
add_timer(&kbd_Scan_timer);   //将一个 timer_list对象挂入定时器队列
}
     该定时器对象(kbd_Scan_timer)需在模块初始化函数中定义，并指定相应的处理函数。当定时器到期时，内核就执行指定的函数，完成以下一些工作：扫描键盘，得到被按下键的扫描码，查表转换成相应的键值后送入指定缓冲区中，开中断并等待应用程序接收。
3.2 键值扫描
     在确定有键被按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。驱动程序中采用扫描法实现按键的确定。由于行线连接在 GPIO的输入口，且共用一个中断输入口，因此，在中断到来时，需要确定被按下的键在哪一行哪一列。
    具体实现过程如图 2所示：依次将列线置为低电平，即置某根列线为低电平时，把其他列线置为高电平。在确定某根列线为低电平后，再逐行检测各行线的电平状态。若某行为低，则该行线与置为低电平的列线交叉处的按键即为闭合按键。由此便可得到闭合键的行值和列值，通常这就是一个扫描码，然后可采用计算法或者查表法将闭合键的扫描码转换成应用程序所能够理解的键值。

图2扫描算法流程图
3.3 缓冲区同步
     得到闭合键的扫描码后，通常将扫描码转换成应用程序可以理解的键值后放入一个缓冲区中，直到应用程序处理按键为止。缓冲是一个很有用的措施，当应用程序在按键事件发生了却不能及时处理它们时，通过缓冲区就可以防止按键丢失。缓冲区的大小取决于应用程序的需要。一般来说，都是把缓冲区作为一个环形队列来管理。
     环形缓冲区通常有一个读指针和一个写指针（如图 3所示）。通过移动读指针和写指针就可以实现缓冲区的数据读取和写入。当一个按键被按下时，键值将被放置在环形队列的写指针指向的位置。而应用程序则是通过读指针去读取缓冲区中的键值。若缓冲区已满，则任何下一个按键都将被丢弃。若缓冲区为空，则读进程阻塞。使用环形的缓冲区可以使得读写并发执行，读进程和写进程可以采用 “生产者和消费者”的模型来访问缓冲区，从而方便了缓冲的使用和管理，确保系统的安全性。

图3环形缓冲区
      应用层中使用了 select系统调用，select会在一个循环中对每个需要监听的设备调用它们各自的 poll支持函数以使得当前进程被加入各个设备的等待队列。若当前没有任何被监听的设备就绪，则内核进行调度（调用 schedule），当前进程让出 CPU进入阻塞状态，schedule返回时将再次循环检测是否有操作可以进行，如此反复；否则，若有任意一个设备就绪，select都立即返回。
poll 函数中利用等待队列，实现了应用程序对缓冲区读操作的同步。因此，只需再定义
两个信号量，用于实现同步和互斥：
static DECLARE_MUTEX(mutex_sem); /*定义用于互斥的信号量，初值为1*/
/*定义控制驱动程序写缓冲区的信号量，初值为 KEYBUF_SIZE-1，表示缓冲区中的空位
数 */
struct semaphore empty_sem;
sema_init (＆empty_sem, KEYBUF_SIZE-1);
驱动程序填写缓冲区过程的伪代码如下：
down(empty_sem); //保证缓冲区中有空位，否则进程挂起
down(mutex_sem)； //申请互斥信号量，保证对缓冲区的互斥访问
键值送往环形缓冲写指针所指地址；
char_buf_write =( char_buf_write +1) mod KEYBUF_SIZE；//修改写指针
up(mutex_sem); //释放互斥信号量
wake_up(&key_wait); //唤醒等待队列中的进程
应用程序读缓冲区过程的内核实现伪代码如下：
down(mutex_sem)； //申请互斥信号量，保证对缓冲区的互斥访问
环形缓冲读指针所指地址的值送往用户空间；
char_buf_read =( char_buf_read +1) mod KEYBUF_SIZE；//修改读指针
up(mutex_sem); //释放互斥信号量
4 结束语
      本文设计并实现了基于 ADSP-BF561的嵌入式矩阵键盘。利用 GPIO口直接扫描矩阵键盘，简化了扫描电路的设计，降低了成本；软件实现上，利用定时器消抖，避免忙等，提高系统效率；利用环形缓冲管理按键信息，使用等待队列和信号量实现缓冲的同步操作。
目前，此设计已经成功应用于一款网络视频电话终端，测试表明，该方案在一定的要求 下完全符合性能要求，并具有较好的稳定性和实时性。
本文作者创新点：本设计利用定时器消抖，避免忙等，提高系统效率；利用环形缓冲管理按键信息，使用等待队列和信号量实现缓冲的安全同步。