CN103176608B - 一种键盘、键盘控制方法及采用该键盘的信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种键盘、键盘控制方法及采用该键盘的信号发生器，该键盘包括键盘控制器，处理器以及矩阵式键盘模块，所述键盘控制器分别与所述处理器和矩阵式键盘模块相连接，该键盘控制器采用CPLD器件，包括分频模块、间隔扫描模块、消抖模块、判断模块和通信接口模块，其中，判断模块接收消抖模块传送的行状态信号，判断该行状态信号键值信息与前一次相比有改变后，将改变的键值信息传送给通信接口模块；所述通信接口将键值信息以串行帧方式发送给所述处理器。本发明实施例提供的键盘及其控制方法，采用判断键值改变之后通过串行接口的方式发送信息给处理器，降低了处理器的负担，加快了处理速度，同时提供了按键和旋钮的功能，并且成本低廉。

Description

一种键盘、键盘控制方法及采用该键盘的信号发生器

技术领域

本发明涉及信息输入装置，尤其涉及一种键盘、键盘控制方法及采用该键盘的信号发生器。

背景技术

在电子设备中，键盘是实现人机交互最常用的设备。消费电子中的键盘大都由按键组成；测试测量设备中，除了按键还包括旋钮，例如示波器、信号源等。为了得知使用者是如何操作按键、旋钮的，键盘必须有对应的扫描控制装置。用于键盘扫描控制的现有技术中，主要有采用专用键盘控制芯片或软件扫描查询方式，以及时下较为流行的CPLD(Complex Programmable Logic Device复杂可编程逻辑器件)控制方式。CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路，具有灵活性好、成本低的优点，所以广为应用。现有技术中有一种基于CPLD器件的键盘电路及其扫描控制方法，键盘电路包含三个部分：矩阵式键盘、CPLD器件担任的键盘控制器、处理器，其具体结构原理框图如图1所示，工作原理如下：

矩阵式键盘，总共5行11列，最多支持55个按键；11个列扫描信号由CPLD发出，反映是否有键按下的5个行状态信号送给CPLD。

键盘控制器采用CPLD器件，实现列扫描、消抖、按键编码和产生中断的功能。其工作流程为：以1KHz时钟控制的顺序低电平脉冲逐列扫描键盘→检测到有键按下则暂停10毫秒以消抖→将56个按键状态用6比特的编码表示→产生中断。

处理器，收到中断后从键盘控制器中读取按键编码。

该现有技术还存在如下不足之处：

与处理器的并行数据接口过多。经过按键编码后，5行11列的键盘用6个比特表示，即处理器与CPLD之间有6位并行数据接口；很多电子设备的键盘很大，行、列更多，这就需要更多比特的数据接口。由此，过多的并行数据接口不仅占用更多的CPLD和处理器的IO资源；而且通常键盘与处理器所在的主板之间距离较远，过多的数据接口连线会造成不易解决的信号完整性问题；

按键编码耗用CPLD资源较多。按键编码就是将56个按键状态用6比特的编码表示，这种较大规模的组合逻辑编码功能会耗用很多的CPLD逻辑资源，当键盘行、列更多时所耗用的资源会成倍增加，而CPLD的逻辑资源通常都不多，逻辑资源相对多一点的CPLD器件的价格又很高；

另一方面，55个按键只有56个按键状态，是因为该现有技术只考虑了每次只有一个按键按下或者全部没有按下的情况。换言之，该现有技术不支持多个按键同时按下。

另外，该现有技术的键盘控制方案是针对按键的，没有提供旋钮的控制方法。按键和旋钮的工作原理是不同的：按键只有一个输出，“通”、“断”两种状态；旋钮有两个触点，也就有两个输出、四种状态：“00”、“01”、“11”、“10”；四种状态的不同切换顺序表示“正转”、“反转”；旋钮的机械振动比按键的手工操作要快得多，要求扫描周期要快一点。而该现有技术的扫描周期为11毫秒，当有按键按下时为了消抖还要等待10毫秒，过长的扫描周期可能会错过按钮的动作。

综上所述，现有技术采用专用键盘接口芯片作为键盘控制器的方案在使用灵活性方面有欠缺，尤其当用户需要实现某些特定功能时，其缺点更为明显。软件扫描查询方式的主要缺点是需要占用处理器的资源对按键进行监控和处理，这对要求高实时性处理的系统是一个很大的负担。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种具有旋钮扫描功能的键盘，以克服现有技术方案的种种不足，尤其是键盘不具有旋钮功能的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种键盘，该键盘包括键盘控制器，处理器以及矩阵式键盘模块，所述键盘控制器分别与所述处理器和矩阵式键盘模块相连接，该键盘控制器采用CPLD器件，包括分频模块、间隔扫描模块、消抖模块、判断模块和通信接口模块，其中，判断模块接收消抖模块传送的行状态信号，判断该行状态信号键值信息与前一次相比有改变后，将改变的键值信息传送给通信接口模块；所述通信接口模块接收到判断模块传送的键值后，将键值信息以串行帧方式发送给所述处理器。

所述通信接口模块通过串行方式与所述处理器相连接。

所述通信接口模块与所述处理器相连接的连接线包括时钟线、帧脉冲线和数据线。

所述矩阵式键盘模块包括：至少一个旋钮，所述旋钮接收由所述键盘控制器发出的两个列扫描信号，并反馈一个行状态信号送给所述键盘控制器，随着列扫描信号的扫描，行状态信号产生两种状态跳转顺序，分别表示旋钮的正转和反转。所述旋钮的状态包括11、10、00、01；所述两种状态跳转顺序分别是11→10→00→01→11……和11→01→00→10→11……，表示两种相反的旋转方式。

本发明实施例还提供一种键盘控制方法，该方法包括：接收行状态信号，判断行状态信号键值信息与前一次相比有改变后，将改变的键值信息以串行帧方式发送给处理器。

发送给处理器的键值信息包括时钟信息、真脉冲信息和数据信息。

还包括两个列扫描信号与行状态信号相匹配，随着列扫描信号的扫描，行状态信号产生两种状态跳转顺序，分别表示正转和反转两种旋转状态。所述旋钮的状态包括11、10、00、01；所述两种状态跳转顺序分别是11→10→00→01→11……和11→01→00→10→11……。

本发明实施例还提供一种信号发生器，该信号发生器包含上文所述的键盘。

本发明实施例提供的一种键盘、键盘控制方法及采用该键盘的信号发生器，采用判断键值改变之后通过串行接口的方式发送信息给处理器，降低了处理器的负担，加快了处理速度，同时提供了按键和旋钮的功能，并且成本低廉、结构简单、灵活行好、扩展容易。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是现有技术一种键盘电路结构原理框图；

图2是本发明的键盘结构原理框图；

图3是本发明的键盘结合旋钮的电路原理图；

图4A、图4B是本发明的键盘列扫描信号产生示意图；

图5是本发明的键盘通信接口时序与映射示意图；

图6是本发明的键盘控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例一

图2是本发明实施例的一个键盘扫描控制方案的结构框图，由键盘控制器100、矩阵式键盘模块110和处理器120三个部分构成。

键盘控制器100采用CPLD器件，实现分频、列扫描、消抖、键值变化的判断、与处理器的通信接口等功能。

处理器20，接收键盘控制器100送来的键值，从而确定按键和旋钮的动作。

矩阵式键盘模块110，如图3所示，不仅有按键，还有旋钮。图3以8列12行为例，8个列扫描信号由CPLD发出，反映是否有键按下的12个行状态信号送给CPLD。

键盘控制器扫描到有键值改变，则将改变后的所有键值状态送给处理器。

键盘控制器CPLD内部按照实现功能不同可分为：分频模块101、间隔扫描模块102、消抖模块103、判断模块104、通信接口模块105，各模块功能如下。

分频模块101

利用计数分频方法，将外部输入的时钟分频为内部其它模块使用的主时钟。在本实施例中，外部输入时钟的频率是4MHz，分频后的主时钟是64KHz。分频比是64，用6比特计数器实现即可，占用CPLD资源也很少。

在本实施例中，处理器提供外部输入时钟，也可以使用晶体振荡器。

间隔扫描模块102

间隔扫描模块102产生扫描脉冲作为列扫描信号。与现有技术不同，本发明的列扫描信号并非顺序低电平脉冲，而是如图4A所示，每个低电平有效的列扫描信号之间有一段高电平时间，被称为“死区时间”。

2个列扫描信号分别扫描旋钮的2个触点，因为各个列扫描信号的低电平时间不同，则用1个行状态信号就可表示旋钮的两个触点状态了。旋钮在转动时，机械振动在触点上会造成很多的毛刺；如果2个列扫描信号的低电平是如图4B所示的那样挨着的，则前一个触点的毛刺会影响后一个触点。“死区”时间的存在，让两个触点的状态互不干扰，有利于减小抖动。本实施例中，为了便于处理和节省CPLD资源，死区时间是1个主时钟周期，约为15uS。

关于死区时间的一个变型是：只有用于旋钮的列扫描信号上才产生死区时间，其它不产生，此举在键盘规模特别大时可加快扫描周期。但这种差异化的处理方式不仅不利于CPLD实现时的参数化，也会显著增加CPLD资源的耗用。

本发明的列扫描信号是循环产生的，不会因为检测到有键值变化而暂停。在本实施例中，扫描周期是固定的250uS。如前文所述，旋钮的机械振动比按键的手工操作要快得多，实测不少于1mS，因此较快的扫描周期不会错过旋钮的工作，更不会错过按键的动作。

消抖模块103

在列扫描信号为低电平期间，消抖模块用频率更高的外部时钟对行状态信号多次采样、比较。如果多次采样的行状态信号是相同的，则认为这是有效的、没有抖动的。经过消抖后的行状态信号被送给判断模块。

判断模块104

判断模块收到行状态信号后，与该行的上一次扫描的状态信号作比较，如果键值有改变，则通知通信接口模块，发送新的键值。

通信接口模块105

当全部的列结束一个周期的扫描后，只要有键值改变，通信接口模块就将全部的键值信息以串行帧的方式发送给处理器。通信接口的时序以及发送数据与键值之间的对应如图5所示。

帧脉冲FS的低电平表示了一帧的长度；一帧的长度不少于全部键值位，对于一个8×12的矩阵键盘，帧长度不少于96比特。帧脉冲可以是低电平有效，也可以是高电平有效，与处理器约定即可。

每个CLK时钟脉冲下，数据线RxD的值表示了键值状态。在本实施例中，第1列第1行的键值对应着数据线RxD的第1个比特，以此类推，第m列第n行的键值对应着数据线RxD的第m*n个比特。这种映射关系与处理器约定即可。

处理器根据CPLD提供的键值信息，确认按键和旋钮的动作。与现有技术的并行数据接口不同，本发明中，处理器与CPLD之间采用串行通信方式，连接方式如图2所示，只需要3根连接线：时钟线CLK、帧脉冲FS、数据线RxD，分别传送时钟信息、真脉冲信息和数据信息。

对于一个8×12的矩阵式键盘，现有技术的并行接口需要7根并行数据线；而本发明只需要3根。即使键盘规模再大，本发明依然可以只使用3根数据线。

图3画出了一个8列12行的矩阵式键盘的一部分，尤其给出了旋钮的一种实现方式。列扫描信号由CPLD发出，行状态信号送给CPLD。对旋钮S41而言，它有2个列扫描信号COL7、COL8，1个行状态信号ROW12。随着列扫描信号的扫描，行状态信号上会产生2种状态跳转顺序，分别是11→10→00→01→11……，11→01→00→10→11……，分别表示旋钮的“正转”和“反转”。

旋钮S41独占一个行状态信号ROW12，这是有道理的。因为即使旋钮停止转动后，当行扫描信号到来时，其行状态信号可能是“1”电平，也可能是“0”电平；如果行状态信号ROW12上有其它按键，即使没有按下按键，但由于旋钮保持在“0”电平，此时处理器也会认为按键处于按下的状态。

当然，多个旋钮共用一个行状态信号则是可行的，因为处理器是根据状态跳转顺序来判断旋钮的“正转”和“反转”，固定电平不会造成误判。

关于旋钮的一个变型是：用1个列扫描信号、2个行状态信号也能表示旋钮的动作，这种变型虽然也能够实现本发明的技术方案，但如上述的旋钮的行状态信号的独占性，这种变型会增加行状态信号的数目。

本发明实施例还提供一种信号发生器，该信号发生器采用上述实施例中的键盘，能够解决现有技术的信号发生器的键盘无法提供旋钮功能的缺陷。本领域技术人员在获知上述技术方案内容后，可以将其用于信号发生器当中，替代现有技术中采用的键盘，其连接关系、制作方法应属常规技术手段，在此不再赘述，但上文实施例中的键盘应用于信号发生器以及具有相同效果的其他技术方案，只要根据本发明主导思想，能够达到本发明技术效果，都应包含在本申请保护范围之内。

实施例二

本实施例提供一种键盘控制方法，具体流程如图6所示。

图6为本发明实施例的键盘控制方法流程示意图，如图所示，本实施例包括如下步骤：

步骤601，间隔扫描模块产生列扫描信号，顺序扫描各列；

步骤602，扫描某列的同时，消抖模块采样、比较该列的行状态信号；

步骤603，如果多次比较结果相同，则认为行状态信号是稳定有效的，执行步骤604，将行状态信号送给判断模块；否则认为是有抖动且无效的，执行步骤605，丢弃该行状态信号，返回步骤602处理下一行；

步骤606，判断模块比较前后2个扫描周期的行状态信号；

步骤607，如果前后2次的行状态信号不同，则说明键值有变，执行步骤608；没有变化，则继续执行步骤606判断下一行；

步骤608，判断是否扫描完所有列，如果扫描完毕，只需步骤609；否则返回步骤606继续判断；

步骤609，扫描完所有列且有键值改变，则通信接口模块将全部键值信息按照串行帧的格式发送给处理器；

步骤610，处理器处理收到的键值，从而确定按键的开、关，旋钮的正转、反转。

本发明提供了一种键盘控制方案以及实施电路，具有以下优点：

与处理器连接采用串行接口，减少了接口连接线的数目，有利于印刷电路板的设计以及信号完整性；增加判断模块，有键值改变，才发送数据给处理器，与软件查询方式相比，此举可有效降低处理器的负担；间隔扫描的方式让旋钮的2个触点互不干扰，减少了毛刺和抖动；合适的扫描周期，不会错过旋钮和按键的动作；将所有键值信息都发送给处理器，这样就可以支持多个按键、旋钮的同时操作；无需耗用大量资源的按键编码，合理的分频系数、一个主时钟周期的死区时间宽度的设置、逐行比较判断键值、列扫描不受键值改变的影响，这些都非常有利于节约CPLD逻辑资源的占用；行数目、列数目、帧长度均可以参数化；针对不同产品的键盘需求，只需修改这几个参数即可，节约了研发时间；由于采用可编程的CPLD器件作为键盘控制器，结构简单、灵活行好、成本低廉；同时提供一种旋钮连接方式，电路简单，且旋钮的状态不影响按键；可同时控制按键和旋钮，且CPLD编码时无需考虑按键和旋钮的具体位置，对等处理，有利于节约CPLD资源的耗用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种键盘，该键盘包括键盘控制器，处理器以及矩阵式键盘模块，其特征在于：

所述键盘控制器分别与所述处理器和矩阵式键盘模块相连接，该键盘控制器采用CPLD器件，包括分频模块、间隔扫描模块、消抖模块、判断模块和通信接口模块，其中，判断模块接收消抖模块传送的行状态信号，判断该行状态信号键值信息与前一次相比有改变后，将改变的键值信息传送给通信接口模块；

所述间隔扫描模块用于产生扫描脉冲作为列扫描信号，所述列扫描信号中每个低电平有效的列扫描信号之间有一段高电平时间；

所述通信接口模块接收到判断模块传送的键值后，将键值信息以串行帧方式发送给所述处理器；

至少一个旋钮，所述旋钮接收由所述键盘控制器发出的两个列扫描信号，并反馈一个行状态信号送给所述键盘控制器，随着列扫描信号的扫描，行状态信号产生两种状态跳转顺序，分别表示旋钮的正转和反转；

所述旋钮的状态包括11、10、00、01；

所述两种状态跳转顺序分别是11→10→00→01→11……和11→01→00→10→11……，表示两种相反的旋转方式。

2.根据权利要求1所述的键盘，其特征在于：

所述通信接口模块通过串行方式与所述处理器相连接。

3.根据权利要求2所述的键盘，其特征在于：

所述通信接口模块与所述处理器相连接的连接线包括时钟线、帧脉冲线和数据线。

4.一种键盘控制方法，其特征在于，该方法包括：

产生扫描脉冲作为列扫描信号，所述列扫描信号中每个低电平有效的列扫描信号之间有一段高电平时间；

接收行状态信号，判断行状态信号键值信息与前一次相比有改变后，将改变的键值信息以串行帧方式发送给处理器；

根据键值信息确定按键的开、关，旋钮的正转、反转。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

发送给处理器的键值信息包括时钟信息、帧脉冲信息和数据信息。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

还包括两个列扫描信号与行状态信号相匹配，随着列扫描信号的扫描，行状态信号产生两种状态跳转顺序，分别表示正转和反转两种旋转状态。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述旋钮的状态包括11、10、00、01；

所述两种状态跳转顺序分别是11→10→00→01→11……和11→01→00→10→11……。

8.一种信号发生器，该信号发生器包含如权利要求1-3所述的键盘。