DM642和CPLD外部中斷的寄存器式鍵盤設計

賀璽,楊述斌

(武漢工程大學 電氣信息學院,武漢 430074)

賀璽(碩士研究生),主要研究方向為DSP、信號與圖像處理;楊述斌(教授),主要研究方向為信號、圖像處理與多媒體通信。

引 言

鍵盤是人機交互模塊中必備的輸入部分,在目前的嵌入式系統人機接口中通常采用專用的鍵盤處理芯片ZLG7290設計鍵盤[1-3]。由于ZLG7290是一種64位LED顯示和64個按鍵的鍵盤管理器件,會造成部分LED顯示和按鍵空閑浪費并占用硬件資源比較多,使成本增加。隨著DM642性價比的提高,它在圖像處理系統和數字媒體系統中的應用越來越廣泛,而作為人機交互重要手段的鍵盤在上述系統中是必不可少的輸入設備。通常以DM642為核心的電路系統中主要采用獨立式鍵盤和行列掃描式鍵盤[4-5]。本文在DM642電路系統中使用CPLD提供多路輸入/輸出引腳的方法擴展鍵盤。DM642的外部中斷監控按鍵的狀態,CPLD管理鍵盤電路中的芯片邏輯。此外,CPLD(EPM7128AET芯片)共有100個輸入/輸出引腳,可根據實際需要自由擴展引腳,實現靈活,應用前景廣闊。

1 獨立式鍵盤和行列掃描式鍵盤

1.1 獨立式鍵盤

獨立式鍵盤是指將每個按鍵按一對一的方式直接連接到I/O輸入線上所構成的鍵盤。獨立式鍵盤可以工作在多種方式下:中斷方式、程序查詢方式、定時查詢發送和中斷查詢方式。獨立式鍵盤的缺點是需要占用較多的I/O線。當應用系統中需要的按鍵比較少或I/O線比較富余時,可以把單個按鍵與DSP的輸入/輸出引腳直連,采用查詢或中斷方式檢測鍵值。電路如圖1所示,S1～Sn表示n個按鍵,按鍵的輸入端接地,輸出端與DSP的輸入/輸出引腳P1～Pn相連,并接上拉電阻。DSP可以采用查詢方式檢測鍵值,也可以采用中斷方式監控按鍵的狀態。

圖1 獨立式鍵盤

1.2 行列掃描式鍵盤

行列掃描式鍵盤是行列式鍵盤中最主要的一種,是用n條I/O線作為行線,m條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個交叉點上,設置一個按鍵。這樣,鍵盤中按鍵的個數是m×n個。它適合于構成按鍵數目比較多的鍵盤。這種形式的鍵盤結構,能夠有效地提高系統中I/O口的利用率。行列掃描式是先使列(行)線全輸出低電平,然后判斷行(列)線狀態,若行線全為高電平表示無鍵被按下,若行線不全為高電平表示有鍵被按下。然后依次使列線為低電平,再判斷行線狀態,當行線全為高電平時表示被按下的鍵不在本列,當行線不全為高電平時表示被按下的鍵在本列,把此時的行線狀態與列線狀態和在一起即為被按下的鍵的位置。掃描法對鍵的識別采用逐行(列)掃描的方法獲得鍵的位置,當被按下的鍵在最后一行時需要掃描N次(N為行數),當N比較大時鍵盤工作速度較慢。如圖2所示,該鍵盤為16鍵行列掃描式鍵盤,具有4路輸入引腳 Pi1～Pi4和4路輸出引腳Po1～Po4配合使用。當DSP工作于查詢方式時,按鍵不需要加上拉或下拉電阻。

圖2 行列掃描式鍵盤

2 外部中斷的寄存器式鍵盤

2.1 系統總體結構

鍵盤系統中CPLD選用EPM7128AET芯片,能提供多路輸入/輸出引腳,輸出邏輯電平為3.3V,輸入邏輯電平兼容3.3V和 5V兩種,共100個輸入/輸出引腳。CPLD在邏輯控制和時序控制方面具有很多優勢,它的內部擁有大量的邏輯門,可以在軟件環境中巧妙地利用這些門電路,對輸入引腳信號進行各種邏輯組合設計,將邏輯組合信號再提供給輸出引腳。CPLD器件內部還提供了大量標準的邏輯電路模塊,如譯碼電路、地址鎖存電路等,這些電路模塊代替了傳統電路中需要的譯碼芯片、地址鎖存芯片等,不僅為電路板設計節省空間,而且使電路設計流程更加靈活和方便。DSP選用TMS320DM642芯片,為了擴展 DM642的 GPIO輸入/輸出引腳而設計成16按鍵的鍵盤,CPLD需使用DM642的低8位數據總線D[7:0]、地址總線EA[10:3]、EA22和讀寫控制信號線,CPLD才能在內部產生所需的擴展寄存器。CPLD豐富的輸入/輸出引腳和大量的邏輯門管理鍵盤系統中的芯片邏輯。如圖3所示,按鍵的16個輸入端接地,輸出端KEY[1:16]與CPLD芯片的輸入引腳I[1:16]連接,輸出端接上拉電阻,DM642的低8位數據總線D[7:0]、地址總線EA[10:3]及EA22與CPLD器件的輸入/輸出引腳I/O[1:18]連接,DM642的RE和WE信號是寄存器擴展用的讀/寫使能信號,空間片選信號CE1和地址信號EA22作為寄存器端口片選信號,把按鍵狀態讀端口映射到DM642的CE1空間。當有按鍵按下時,產生一個上升沿脈沖觸發信號,該信號可以認為是一個外部中斷事件,那么可以通過DM642的外部中斷EXINT4響應該中斷事件,而在DM642內部EXINT4可以映射為中斷INT4,DM642在INT4對應的中斷函數中通過數據地址總線讀取按鍵的鍵值并進行分析。在程序層面,該按鍵的觸發信號和程序中INT4的中斷服務函數相對應,同時INT4的中斷服務函數與中斷向量表中的中斷編號聯系起來。

CPLD芯片內部擴展按鍵狀態的16位輸入端口控制寄存器邏輯圖如圖4所示,DM642通過操作寄存器讀端口實現讀取按鍵的鍵值并進行分析。在圖4中,DM642的空間片選信號CE1和地址信號EA22作為寄存器端口片選信號,當CE1信號低電平有效時,與鍵盤狀態有關的寄存器地址被映射到CE1空間,地址線EA22在映射關系中低電平有效。CE1空間地址有效范圍為0x90000000～0x9FFFFFFF,按鍵KEY1～KEY8的寄存器端口地址為0x90080019,KEY9～KEY16的寄存器端口地址為0x9008001A。KEYCS[2:1]為輸入端口的片選信號線,兩路輸入片選信號分別對應I[1:8]和I[9:16]輸入引腳。芯片74138是CPLD內部提供的一種譯碼器,芯片74373是CPLD內部提供的一種地址鎖存器,用于鎖存按鍵按下時的電平狀態。

圖3 鍵盤硬件電路圖

圖4 CPLD內部的擴展寄存器

這里將擴展的寄存器端口地址設置為PORTAdd,PORTAdd在CE1空間中擁有一個32位的端口地址,PORTAdd[31:0]與DM642的CE1信號和EA[22:3]地址信號之間的定義關系如表1所列。CE1信號決定了PORTAdd31位,EA[22:3]地址信號決定了寄存器端口地址的PORTAdd[19:0]位,PORTAdd端口的其他位保留未用。根據表1中的映射關系就可以確定CPLD內部寄存器端口的物理地址。在圖4中,CE1信號保持低電平、EA22信號保持高電平時選中74138_1芯片,則PORTAdd的第31位和第19位均應為高電平“1”;EA8～EA6為高位譯碼地址線,EA5～EA3為低位譯碼地址線,兩片74138芯片配合使用,能夠產生64路片選信號;片選信號KEYCS1和KEYCS2低電平有效,兩片74373在DM642的CE1空間中的地址分別為0x90080019和0x9008001A。

表1 CE1空間端口地址與地址線的映射關系

3 軟件設計

在CCS編程環境中,編寫 main.c、boot.asm、ves_dm642.asm、key.cmd等文件,由于在CSL中包含 boot.asm函數,所以只需要自行編寫main.c和ves_dm642.asm、key.cmd三個文件,然后添加到所創建的Key.pjt項目中。

ves_dm642.asm是DM642的中斷向量表文件,聲明中斷函數名稱及與中斷編號的映射關系,KeyIsr是INT4對應的按鍵中斷響應函數,其主要代碼如下:

main.c是鍵盤電路的主程序,包括添加CSL庫文件的頭文件、定義按鍵狀態寄存器的端口地址及按鍵的MASK、初始化設置EMIFA接口、按鍵分析函數。主要代碼如下:

4 系統調試

為了調試程序,需要把 main.c、boot.asm、ves_dm642.asm、key.cmd文件添加到項目Key.pjt中。同時,需要設置Build Options中的Compiler和Linker屬性頁,最后編譯、鏈接、下載。通過設置斷點和探針來進行軟件模擬調試。CCS仿真表明,程序能根據硬件設計的要求讀取按鍵的鍵值并進行按鍵狀態的分析,達到預期結果。

結 語

DM642和CPLD相配合的方法擴展鍵盤,DM642的外部中斷監控按鍵的狀態,CPLD管理鍵盤電路中的芯片邏輯。充分利用DM642的GPIO口引腳能夠配置為通用輸入/輸出引腳的優勢和CPLD豐富的輸入/輸出引腳特性。可以應用在以DM642為核心處理器的模式識別和圖像處理系統的人機交互模塊中,前景廣闊。

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