嵌入式ｌｉｎｕｘ下基于單片機(jī)的矩陣鍵盤與ＡＲＭ的串行通信

摘要：提出一種單片機(jī)控制的由按鍵和旋鈕組成的矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)方法，并實(shí)現(xiàn)其在嵌入式Linux下與ARM的串行通信，從硬件和軟件的角度詳細(xì)介紹該方案的實(shí)現(xiàn)過程，給出了基本的硬件原理和按鍵掃描以及通信程序設(shè)計(jì)的方法。實(shí)驗(yàn)證明，此方案簡單可靠，ARM在Linux下可以準(zhǔn)確響應(yīng)鍵盤事件，已經(jīng)應(yīng)用于數(shù)字存儲示波器的研發(fā)中。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；距陣鍵盤；嵌入式linux；串行通信

中圖分類號：TN41；TP33

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004—373X(2008)04—177—04

1 引 言

在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)和儀器設(shè)備中，鍵盤是不可缺少的輸入設(shè)備，是控制系統(tǒng)與操作人員交流的橋梁。操作人員可以通過外設(shè)鍵盤靈活地輸入各種參數(shù)以控制系統(tǒng)的運(yùn)行。考慮到本系統(tǒng)按鍵數(shù)量較多(23個按鍵和7個旋鈕)，并且不想使用專用的鍵盤處理芯片，所以采用矩陣式鍵盤設(shè)計(jì)。單片機(jī)性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大，在儀器設(shè)備和電子消費(fèi)品中得到越來越廣泛的應(yīng)用。在單片機(jī)系統(tǒng)中，串行通信接口由于具有接口簡單、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛使用，成為一種常用的接口。例如，單片機(jī)通過串口和上位機(jī)ARM進(jìn)行通信，就能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制并能利用ARM強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和友好的控制界面。Linux由于具有內(nèi)核強(qiáng)大、開源、易擴(kuò)展和裁減以及豐富的硬件支持等許多優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式系統(tǒng)得到非常廣泛的應(yīng)用。特別是他的性能穩(wěn)定非常適合做工業(yè)控制。本文提出的鍵盤通信方案就是以嵌入式Linux和ARM 9處理器為軟硬件平臺，在便攜式嵌入式設(shè)備上的應(yīng)用表明其具有較好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于本系統(tǒng)的具體要求采用單片機(jī)控制鍵盤與ARM進(jìn)行實(shí)時(shí)串行通信。單片機(jī)采用美國Atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)AT89C2051，此款單片機(jī)是Atmel公司的一種精簡型51內(nèi)核單片機(jī)。ARM處理器采用三星公司的$3C2410 ARM9處理器，是16／32位RISC微處理器，主要用于低成本、低功耗和高性能手持設(shè)備和一般應(yīng)用的單片微處理器解決方案。由AT89C2051單獨(dú)管理鍵盤，實(shí)現(xiàn)鍵盤的識別譯碼工作，然后通過串口與ARM在Linux下進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。圖1是系統(tǒng)總體框圖。

3 硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，鍵盤由23個按鍵式開關(guān)和7個旋鈕開關(guān)構(gòu)成，相當(dāng)于37個按鍵式開關(guān)，于是將鍵盤按照8×5的矩陣鍵盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，其中3列為按鈕式按鍵，另2列分別接7個旋鈕開關(guān)的A，B引出端。由于一般情況下ARM的CPU的任務(wù)較重，且I／O端口資源不足，所以使用專門的鍵盤掃描控制器完成對矩陣鍵盤的管理工作，該控制器即單片機(jī)AT89C2051，當(dāng)鍵盤控制器判斷到有按鍵事件發(fā)生，并判讀出相應(yīng)鍵碼后，就通過異步串行口與ARM通信，ARM的主CPU在接收到鍵碼后，會由硬件產(chǎn)生中斷并軟件響應(yīng)，執(zhí)行相應(yīng)的處理程序。由于要實(shí)現(xiàn)符合RS 232的串行通信，還應(yīng)該用MAX 232芯片構(gòu)成串口電平轉(zhuǎn)換電路。圖2是系統(tǒng)硬件電路的示意圖，由于是ARM接收鍵盤發(fā)送的數(shù)據(jù)，所以串行口采用2線制接法，即鍵盤和ARM的UART控制器的TXD和GND相互連接。

在圖2中，鍵盤矩陣的KH0～KH7共8根行線接至AT89C2051 P1口的P1.0～P1.7引腳，KV0～KV4共5根列線接至P3口的對應(yīng)引腳，P 3.1作為異步串口的發(fā)送端，用于和主CPU通信。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的程序包括上位機(jī)單片機(jī)鍵盤掃描程序和下位機(jī)ARM的接收處理程序，下面分別介紹。

4.1鍵盤掃描程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用矩陣鍵盤接口設(shè)計(jì)，在對按鍵進(jìn)行編碼時(shí)一般是先獲得按鍵的掃描碼，然后將其轉(zhuǎn)化為事先約定的按鍵編碼。雖然不同的按鍵接口方式對應(yīng)不同的按鍵識別方法，但無論哪種接口方式，按鍵的閉合與否都反映在電壓的高低上，因此系統(tǒng)可以通過檢測不同的電平狀態(tài)來識別按鍵是否按下。另外，采用掃描法識別按鍵，讓行線從KH0，KH1到KH7逐行置零電平，若KH0為零電平，KH1～KH7為高電平，此刻依次檢查各列電平變化，若某列電平由高變低則表示此列與KH0的交叉處的鍵盤被按下。其主程序流程如圖3所示。

結(jié)合本系統(tǒng)的具體情況，AT89C2051單片機(jī)僅用來進(jìn)行對鍵盤的管理，故可采用編程掃描方式，圖4為其鍵盤掃描子程序流程圖。

由于鍵盤面板中包括按鍵和旋鈕，所以在編程的時(shí)候要區(qū)別對待。對于按鍵，首先將第N行置低電平，其余行置高電平，讀取SW_data值，若其與之前的SW值相等，則表示有可能按鍵被按下，此刻直接讀取列號看是否有鍵被按下，若有則通過行列號來確定具體的按鍵碼值。若SW_data值與之前的SW值不同則表示可能是旋鈕的轉(zhuǎn)動。

在數(shù)字儀器中，旋鈕開關(guān)實(shí)際上是一個編碼開關(guān)，他相當(dāng)于將2個按鍵式開關(guān)的一端連在一起成為公共端，另一端分別引出，稱之為引出端A和B。當(dāng)旋鈕開關(guān)旋動時(shí)，旋鈕內(nèi)部與A，B相連的2個金屬簧片都會與接地的公共端相接，但是在時(shí)間上會有一個短暫的時(shí)間差，因此在A，B上就會產(chǎn)生如圖5所示的2個有一定相位差的脈沖信號。在鍵盤掃描過程中，如果能設(shè)法判斷出2路脈沖到達(dá)的相位關(guān)系，就可以知道旋鈕的旋動方向，從而進(jìn)行相應(yīng)的操作。有2種方法可以用來判別脈沖到達(dá)的先后順序，一種是硬件的辦法，即采用鑒相器，通過專門的電路判斷，再將結(jié)果送至CPU；還有一種就是用軟件的方法進(jìn)行判斷，從圖5中可以分析出，當(dāng)旋鈕左旋時(shí)，A，B兩端電平信號的組合狀態(tài)是11－01－00－10的序列，且這樣的序列具有惟一性，同樣當(dāng)旋鈕右旋時(shí)，A，B電平信號的組合狀態(tài)序列也是惟一的，通過判斷這A，B兩端電平信號的組合狀態(tài)是否符合以上2組預(yù)知序列的順序，同樣可以判斷出旋鈕的旋動方向。

另外，為了防止鍵盤的意外事件，在軟件中對按鍵抖動以及旋鈕的誤操作都做了相應(yīng)的處理。

需要注意的是，串口的設(shè)置非常重要，關(guān)系到串口能否正常工作。由于鍵盤發(fā)送的是單字節(jié)的16進(jìn)制數(shù)據(jù)，所以必需將串口所對應(yīng)的終端設(shè)置成原始(RAW)工作方式，就是不必對輸入輸出處理。

初始化結(jié)束后就可以讀取鍵盤發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。首先要打開串口：fd=open(“/dev/ttySl”，O_RDWR)，接下來可以用read函數(shù)進(jìn)行讀取。這里為了使串口在請求的操作阻塞時(shí)能進(jìn)行其他操作，用select函數(shù)實(shí)現(xiàn)了多路復(fù)用式串口。另外還要注意的是ARM在Linux下的串口接收程序的波特率一定要和單片機(jī)鍵盤掃描程序的波特率一致，不然不會接收到正確的數(shù)據(jù)。下面是接收程序：

5 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

測試的時(shí)候把鍵盤串口和ARM開發(fā)板的串口2相連，開發(fā)板的串口1和PC的串口相連。先把鍵盤掃描程序燒寫到單片機(jī)。在PC上打開串口工具DNW，在開發(fā)板上啟動Linux后下載串口接收程序并運(yùn)行。圖6是Linux下接收到的旋鈕和按鍵值。

圖7是在Qt／E環(huán)境下編寫的數(shù)字存儲示波器界面測試鍵盤通信的畫面，結(jié)果顯示鍵盤可以控制LCD中波形的打開、關(guān)閉、變換等操作。

6 結(jié) 語

近年來隨著Linux在國內(nèi)應(yīng)用范圍的日益壯大，在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域也必將越來越多地采用Linux，本文可以算作一個有益的嘗試。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性，在Linux下面用Qt／E編寫了帶有按鈕的數(shù)字示波器界面并移植到了ARM系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字示波器界面上面的按鈕能很好地響應(yīng)鍵盤的按鍵及旋鈕事件，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。當(dāng)然，要應(yīng)用到實(shí)際的項(xiàng)目中，還要根據(jù)實(shí)際情況具體考慮，靈活運(yùn)用，最終才能形成一個可靠的基于嵌入式linux的平臺。