CN102722120B - 一种超低功耗的仪器用键盘控制器 - Google Patents
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Abstract
一种超低功耗的仪器用键盘控制器以及在手持式电池供电的仪器设备上的应用，包括硬件和软件两部分，硬件部分以低功耗单片机为基础，按键以行列矩阵形式连接到单片机的输入/输出端口，其中行线连接到单片机的端口P0，该端口所有管脚都可以作为单片机的中断源，任意按键都可以触发单片机进入按键扫描中断服务程序，旋转脉冲编码器连接到单片机的P2.7和P2.0这两个管脚，这两个端口对应单片机内部一个脉冲捕获功能模块，软件部分完成对矩阵按键的扫描和编码；对旋转脉冲编码器正、发转的识别和编码；实现从模式的I2C通讯接口；长按键开关机功能及低功耗模式设置。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子测量仪器的输入设备，尤其是一种超低功耗的仪器用键盘控制器。
背景技术
现代的电子测量仪器正朝着多功能、更精密的方向发展，仪器的首要原则是最大程度的满足用户的测试需求，方便用户操作。电子测量仪器普遍采用按键+旋转脉冲编码器来实现使用人员和仪器的交互，根据电子测量仪器的特点，其键盘控制器要求具备大量按键，支持旋转脉冲编码器的功能。目前电子测量仪器按键系统的技术方案主要有两大类：
(1)利用仪器主控处理器的通用I/O接口进行扩展，实现按键识别和编码；
(2)使用单独的单片机或可编程逻辑器件设计键盘系统，与仪器的主控处理器通过USB等数字通信接口进行按键编码数据传输。
现有技术主要针对交流供电的台式电子测量仪器，对电池供电的手持式电子测量仪器应用有如下不足：功耗普遍偏大；采用机械方式实现开关机，占用空间大；基本不支持长按键开关机功能，易导致因误按键而引起异常开关机动作；异常关机会导致测试数据丢失，异常开机会导致无谓的电池损耗；通用性差，不同的仪器需要重复开发。
发明内容
针对上述缺点，本发明为电池供电等对功耗敏感的电子测量仪器设计通用键盘控制器。实现了超低功耗，具有普通键盘的所有功能如支持行列矩阵式按键，支持旋转脉冲编码器等。
本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：
控制器包括硬件和软件两部分，硬件部分以低功耗单片机为基础，按键以行列矩阵形式连接到单片机的输入/输出端口，其中行线连接到单片机的端口P0，该端口所有管脚都可以作为单片机的中断源，任意按键都可以触发单片机进入按键扫描中断服务程序，旋转脉冲编码器连接到单片机的P2.7和P2.0这两个管脚，这两个端口对应单片机内部一个脉冲捕获功能模块，软件部分完成对矩阵按键的扫描和编码；对旋转脉冲编码器正、反转的识别和编码；实现从模式的I2C通讯接口；长按键开关机功能及低功耗模式设置。单片机软件程序流程采用中断编程的思想，旋转脉冲编码器和矩阵按键都通过中断的方式使用单片机，无键盘操作时单片机进入低功耗待机模式，中断响应优先级从高到低依次为：开/关机中断，I2C通讯中断，定时器中断，按键中断，旋转脉冲编码器中断，高级别的中断可以在低级别中断服务程序中嵌套使用，保证键盘系统的可靠运行。软件的主要算法由两部分组成：矩阵按键行列反转扫描算法和旋转脉冲编码器正、反转识别及抖动噪声去除算法。
键盘控制器应用于手持式电池供电的仪器设备时，键盘控制器和仪器主控处理器通过3根线进行通讯，两根I2C总线，一根单片机提供给主控处理器的通讯请求信号，单片机作为I2C总线从设备，工作于从发送模式，当有按键或旋转脉冲编码器编码时，键盘控制器发出通讯请求信号给仪器主控处理器，主控处理器响应请求信号后主动通过I2C接口从键盘板读取编码。除I2C通讯接口外，键盘控制器和仪器主控处理器之间还有两根控制信号线，一根为键盘控制器提供给仪器系统的总电源开关控制信号，一根为主控处理器提供给键盘处理器的软件自关机信号，主控处理器通过控制该信号来通知键盘处理器关断系统主电源并进入休眠的低功耗模式，该功能可以实现电池供电的仪器设备开机后长时间无人使用情况下自动进入待机模式或关机以减少电池的消耗。
在安装电池键盘板通电后，单片机进入休眠的低功耗工作模式，该模式下单片机除外部中断响应模块外，别的功能模块都处于完全掉电状态，仪器系统开/关机按键连接到单片机的外部中断管脚，当按下仪器系统开/关机按键3秒钟后，单片机从休眠模式进入正常工作模式，打开系统主电源控制开关后进入待机工作状态，待机模式下可以响应按键或者旋转脉冲编码器所触发的中断事件，单片机响应中断信号后，首先将工作模式设置为正常工作状态，然后进行相应的中断处理，中断程序运行完成后再次将单片机设置到待机模式。仪器系统正常工作时，按下仪器系统开/关机按键3秒钟，单片机将关闭仪器系统主电源并进入休眠的低功耗模式。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。
图1基于单片机的仪器用键盘控制器电路图；
图2键盘控制器软件流程图；
图3矩阵结构按键阵列扫描软件流程图；
图4旋转脉冲编码器工作原理；
图5旋转脉冲编码器抖动噪声示意图
图6键盘控制器与仪器主控处理器连接；
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
本发明硬件电路如图1所示，以低功耗单片机为基础，按键以行列矩阵形式连接到单片机的输入/输出端口，其中行线连接到单片机的端口P0，该端口所有管脚都可以作为单片机的中断源，任意按键都可以触发单片机进入按键扫描中断服务程序；旋转脉冲编码器连接到单片机的P2.7和P2.0这两个管脚，这两个端口对应单片机内部一个脉冲捕获功能模块，通过该功能可以对输入的脉冲进行精确捕获、识别和编码。
单片机软件程序流程图如图2所示，采用中断编程的思想，旋转脉冲编码器和矩阵按键都通过中断的方式使用单片机，无键盘操作时单片机进入低功耗待机模式，中断响应优先级从高到低浓次为：开/关机中断，I2C通讯中断，定时器中断，按键中断，旋转脉冲编码器中断，高级别的中断可以在低级别中断服务程序中嵌套使用，保证键盘系统的可靠运行。
软件主要算法由两部分组成：
(1)矩阵按键行列反转扫描算法流程如图3所示：先设置行线工作在输出、列线工作在输入模式，从行线输出全高电平并读列线的值记录为LINE；然后将行线和列线的输入、输出设置互换，从列线输出全高电平并读取行线的值记录为ROW；把读到的行值和列值作为矩阵的索引去查按键编码组合表，得到按键的唯一编码。
(2)转脉冲编码器正、反转识别及抖动噪声去除算法
旋转脉冲编码器的工作原理如图4所示，当其旋转时两个输出管脚A和B输出两路相位差为90度的方波信号，正转时A的相位超前B，反转时B的相位超前A。本发明将A脚作为单片机的一个中断输入，当转动旋转脉冲编码器时，A的上升沿触发单片机进入中断服务程序，然后根据B路高低电平的状态来判断是正转还是反转，同时将脉冲编码计数器加或减1作为旋转脉冲编码器的编码。
旋转脉冲编码器在旋转过程中会产生抖动噪声而影响到识别和编码，噪声的产生有两种情况，如图5所示，一是由开关通断瞬间多次接触、断开引起的，这种噪声具有时间短、脉冲多、不稳定的特点。本发明采取连续采样的方法以消除此类抖动造成的影响，即单片机进入中断服务程序后连续读取A的值，若A的值为高电平并保持5毫秒以上才认为是一次有效的中断触发，否则认为是抖动噪声，不对其进行编码。
产生抖动噪声的另一种情况是在旋转停止时A信号有可能停留在高低电平的不稳定点而产生一系列的干扰脉冲。本发明在中断服务程序结束时等待A信号变为低电平且保持5毫秒以上才退出本次中断，以解决此类抖动噪声带来的影响。
为适应手持式电池供电的仪器设备，本发明所述键盘控制器和仪器主控处理器之间采用了如图6所示的通讯连接方式，键盘控制器和仪器主控处理器通过3根线进行通讯，两根I2C总线，一根单片机提供给主控处理器的通讯请求信号，单片机作为I2C总线从设备，工作于从发送模式，当有按键或旋转脉冲编码器编码时，键盘控制器发出通讯请求信号给仪器主控处理器，主控处理器响应请求信号后主动通过I2C接口从键盘板读取编码。除I2C通讯接口外，键盘控制器和仪器主控处理器之间还有两根控制信号线，一根为键盘控制器提供给仪器系统的总电源开关控制信号，一根为主控处理器提供给键盘处理器的软件自关机信号，主控处理器通过控制该信号来通知键盘处理器关断系统主电源并进入休眠的低功耗模式，该功能可以实现电池供电的仪器设备开机后长时间无人使用情况下自动进入待机模式或关机以减少电池的消耗。
对于电池供电的手持式仪器设备，仪器安装电池后键盘系统即进入工作状态，以备需要时通过键盘打开仪器。本发明在安装电池键盘板通电后，单片机进入休眠的低功耗工作模式，该模式下单片机除外部中断响应模块外，别的功能模块都处于完全掉电状态，仪器系统开/关机按键连接到单片机的外部中断管脚，当按下仪器系统开/关机按键3秒钟后，单片机从休眠模式进入正常工作模式，打开系统主电源控制开关后进入待机工作状态，待机模式下可以响应按键或者旋转脉冲编码器所触发的中断事件，单片机响应中断信号后，首先将工作模式设置为正常工作状态，然后进行相应的中断处理，中断程序运行完成后再次将单片机设置到待机模式。仪器系统正常工作时，按下仪器系统开/关机按键3秒钟，单片机将关闭仪器系统主电源并进入休眠的低功耗模式。
Claims (5)
1.一种超低功耗的仪器用键盘控制器，其特征在于：该控制器包括硬件和软件两部分，硬件部分以低功耗单片机为基础，按键以行列矩阵形式连接到单片机的输入/输出端口，其中行线连接到单片机的端口P0，该端口所有管脚都可以作为单片机的中断源，任意按键都可以触发单片机进入按键扫描中断服务程序，旋转脉冲编码器连接到单片机的P2.7和P2.0这两个管脚，这两个端口对应单片机内部一个脉冲捕获功能模块，软件部分完成对矩阵按键的扫描和编码；对旋转脉冲编码器正、反转的识别和编码；实现从模式的I2C通讯接口；长按键开关机功能及低功耗模式设置；所述的软件的主要算法由两部分组成：矩阵按键行列反转扫描算法和旋转脉冲编码器正、反转识别及抖动噪声去除算法，矩阵按键行列反转扫描算法先设置行线工作在输出、列线工作在输入模式，然后将行线和列线的输入、输出设置互换，把读到的行值和列值作为矩阵的索引去查按键编码组合表，得到按键的唯一编码；旋转脉冲编码器正、反转识别及抖动噪声去除算法将两个输出管脚中的一个管脚作为单片机的一个中断输入，当转动旋转脉冲编码器时，该管脚方波信号的上升沿触发单片机进入中断服务程序，然后根据另一路高低电平的状态来判断是正转还是反转，同时将脉冲编码计数器加或减1作为旋转脉冲编码器的编码，旋转脉冲编码器在旋转过程中产生的抖动噪声采取连续采样的方法或在中断服务程序结束时等待方波信号变为低电平且保持5毫秒以上才退出本次中断以消除此类抖动造成的影响。
2.如权利要求1所述的一种超低功耗的仪器用键盘控制器，其特征在于：软件程序采用中断编程的思想，旋转脉冲编码器和矩阵按键都通过中断的方式使用单片机，无键盘操作时单片机进入低功耗待机模式，中断响应优先级从高到低依次为：开/关机中断，I2C通讯中断，定时器中断，按键中断，旋转脉冲编码器中断，高级别的中断在低级别中断服务程序中嵌套使用，保证键盘系统的可靠运行。
3.如权利要求1或2所述的一种超低功耗的仪器用键盘控制器，其特征在于：所述连续采样的方法为单片机进入中断服务程序后连续读取A的值，若A的值为高电平并保持5毫秒以上才认为是一次有效的中断触发，否则认为是抖动噪声，不对其进行编码。
4.超低功耗的仪器用键盘控制器在手持式电池供电的仪器设备上的应用，包括键盘控制器和仪器主控处理器通讯方式以及键短系统工作流程，其特征在于，键盘控制器和仪器主控处理器通过3根线进行通讯，两根I2C总线，一根单片机提供给主控处理器的通讯请求信号，单片机作为I2C总线从设备，工作于从发送模式，当有按键或旋转脉冲编码器编码时，键盘控制器发出通讯请求信号给仪器主控处理器，主控处理器响应请求信号后主动通过I2C接口从键盘板读取编码，除I2C通讯接口外，键盘控制器和仪器主控处理器之间还有两根控制信号线，一根为键盘控制器提供给仪器系统的总电源开关控制信号，一根为主控处理器提供给键盘处理器的软件自关机信号，主控处理器通过控制该信号来通知键盘处理器关断系统主电源并进入休眠的低功耗模式。
5.如权利要求4所述的超低功耗的仪器用键盘控制器在手持式电池供电的仪器设备上的应用，其特征在于：安装电池键盘板通电后，单片机进入休眠的低功耗工作模式，该模式下单片机除外部中断响应模块外，别的功能模块都处于完全掉电状态，仪器系统开/关机按键连接到单片机的外部中断管脚，当按下仪器系统开/关机按键3秒钟后，单片机从休眠模式进入正常工作模式，打开系统主电源控制开关后进入待机工作状态，待机模式下响应按键或者旋转脉冲编码器所触发的中断事件，单片机响应中断信号后，首先将工作模式设置为正常工作状态，然后进行相应的中断处理，中断程序运行完成后再次将单片机设置到待机模式，仪器系统正常工作时，按下仪器系统开/关机按键3秒钟，单片机将关闭仪器系统主电源并进入休眠的低功耗模式。
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