CN103560796A - 矩阵电路及扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种矩阵电路及扫描方法，用于准确检测按键或开关的状态，包括N根行线(L1，……Ln)、N根列线交叉排列的N×N个按键(S11，……Snn)的矩阵电路，其中N为大于零的自然数，还包括N×N个二极管(D11，……Dnn)，所述二极管包括阳极和阴极，所述每根行线和每根列线一端均设置一I/O管脚，所述行线与所述列线交错放置形成N×N交叉点，所述每个交叉点上设置一按键和一二极管，所述每个按键的一端接入所述行线的I/O管脚，另一端接入所述二极管的阳极，所述二极管的阴极接入所述列线的I/O管脚。本发明可以避免按键或开关间的相互干扰，支持多个按键或开关的同时闭合时的检测，同时运行时具有较少功耗，更有利于嵌入式系统的使用。
Description
技术领域
本发明涉及计算机输入设备领域，尤其是涉及一种能够避免按键或开关间的相互干扰，同时具有较小功耗的矩阵电路及扫描方法。
背景技术
矩阵电路不仅常用于电脑、手机、PDA等人机交互设备中，而且大量应用于工业的检测。其优点在于可以用很少的微处理器的管脚就可以检测大量的按键或开关状态。
常见的N×M矩阵键盘电路，需要(N+M)个I/O管脚。在矩阵键盘电路中，N根行线和M根列线交叉放置形成N×M个矩阵交叉点，在每个交叉点都设置一个按键或开关，每根列线通过阻值元件上拉到电源。按键的两端分别与相应的行线和列线连接，每根行线与一个I/O管脚连接。依次设置行线的I/O管脚为低电平输入口，其他管脚保留高电平，当无按键按下时，列线与行线断开，经由阻值元件上来到电源，列线呈高电平状态；当有按键按下时，按键对应的列线与该行线连接获得一低电平，进而确定按键所处的列，从而识别按键的位置，这样就实现了用(N+M)个管脚，来检测N×M个按键或开关。
但是这种电路，存在当有多个按键或开关同时闭合时，无法辨别的问题。图1所示为常见的4×4的矩阵电路，包括4行、4列排列的4×4个按键S1-S16，4个电阻R1-R4，8个I/O管脚K1-K8的矩阵电路。通常采用行列扫描方法来确定按下的按键所在的行列位置。在扫描时，轮流将行线的I/O管脚输出口设置为低电平，其他的输入口设置为高电平；读取列线的I/O输入管脚的电平状态，并根据输入口发生的电平变化判断所按的按键。例如，当按键S2闭合时，当第一行的管脚K1输出低电平时，按键S2会将第2列的电压接入第1行，从而在第2列的输入管脚K6会输出低电平，从而可以判断是按键S2闭合。但是当按键S1，S5，S6同时闭合的情况下，会出现什么情况呢？当开始扫描时，第一行的管脚K1输出低电平时，首先按键S1会将第一列的电压接入第一行，使得第1列电压拉低，同时按键S5的闭合，会使得第2行的电压接入第1列，第2行的电压也被拉低，同时按键S6的闭合，将第二列的电压接入第二行，这样第2列的电压也被拉低。这样在开始扫描时，在按键S1，S5，S6同时闭合时，第1行输出低电平时，第2列会输出低电平，也就是输入管脚K6会检测到低电平，会认为第1行第2列的开关，即按键S2闭合，但这时按键S2并没有闭合。这样就容易引起错误判断。出现这种情况的组合很多，举例只是其中一种。
专利号CN101860369、发明名称为“矩阵键盘及其扫描方法”的专利文献中，记载了一种优化的矩阵电路，通过在电路中接入二极管，使得行线和列线得以复用。扫描方法是依次设置该若干个I/O管脚为低电平输出口，且对应设置除低电平输出口之外的I/O管脚为输入状态，读取各设置为输入口的I/O口的电平状态。这种矩阵电路仅仅减少了I/O管脚，但是对于多个按键或开关同时闭合时，容易引起错误判断的问题并没有得到解决。如图2所示，为该专利文献中记载的具体实施例的结构示意图，在普通情况下，当开关S31闭合时，当第1行管脚K1输出低电平，管脚K2-K4设置为输入状态，这时在管脚K3上可以检测到低电平，从而判断出第1列第3行的开关S31闭合。但是例如当开关S12、S32同时闭合时，当扫描开始，第1行管脚K1输出低电平，管脚K2-K4设置成输入状态，这时开关S12将第2列的电平接入第1行，使得第2列I/O管脚P2的电平拉低，开关S32会将第3行的电平接入第2列，从而使第3行电平拉低，这时第3行检测到低电平，会认为开关S31闭合，但是开关S31并没有闭合，这样就引起了微处理器的误判。出现这种情况的组合很多，举例只是其中一种。
可以看出，现有的矩阵电路，在多个按键或开关闭合的情况下会出现判断错误的问题。在个人消费品上的人机交互的按键出现这样的问题时，会给用户不友好的输入感受，工业应用上多个开关同时闭合的情况，更是常见，错误的判断甚至可以引发严重的事故发生。
同时，前面提到的矩阵电路中，每列都通过阻值(图1的电阻R1-R4，图2的电阻R1-R5)元件上拉到电源，当开关闭合，当进行扫描时，行的管脚输出低电平，使得阻值的上下端形成压差，会消耗能量。在实际使用矩阵电路的嵌入式系统中，相当一部分是电池供电，功耗的控制是至关重要的。微处理器在不进行扫描时，往往进入休眠状态。目前常见的微处理在休眠时，管脚保持低电平会更加省电，保持高电平会增加功耗。而上面提到的矩阵电路，在不进行扫描的时候行的管脚也要保持高电平，如果不保持高电平，在按键或开关闭合时，与上拉电阻以及电源形成回路，增加功耗。所以阻值元件和休眠时输出高电平的管脚都会消耗能量。
综上所述，现有的矩阵电路主要存在有两个问题，一是当多个按键同时按下时，会出现错误判断，二是功耗的控制需要提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种矩阵电路，具有避免多个按键或开关同时闭合时容易判断错误的问题，同时降低了电路中的功耗。
为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种矩阵电路，其包括N根行线(L1，……Ln)、N根列线交叉排列的N×N个按键(S11，……Snn)的矩阵电路，其中N为大于零的自然数，还包括N×N个二极管(D11，……Dnn)，所述二极管包括阳极和阴极，所述每根行线和每根列线一端均设置一I/O管脚，所述行线与所述列线交错放置形成N×N交叉点，所述每个交叉点上设置一按键和一二极管，所述每个按键的一端接入所述行线的I/O管脚，另一端接入所述二极管的阳极，所述二极管的阴极接入所述列线的I/O管脚。
优选地，所述每一个按键都连接着一个二极管，隔离不同按键间的影响。
同一列交叉点上的所述二极管共阴极连接。
所述二极管为保证信息单向流动的开关二极管。
扫描时，依次设置相应行线上的I/O管脚为高电平输出，其他行线的管脚保留低电平。
扫描时，设置所述列线上的I/O管脚为下拉输入模式。
不扫描时，所述行线与所述列线的I/O管脚的电平均维持在低电平状态。
当无按键按下时，所述列线与所述行线断开，且所述列线的I/O管脚上没有电平；当有按键按下时，按键所对应的列线与行线接通，相应列线的I/O管脚获得一高电平。
本发明还揭示了一种矩阵电路的扫描方法，包括以下步骤：
扫描时，依次设置相应行线上的I/O管脚为高电平输出，其他行线的管脚保留低电平，设置所述列线上的I/O管脚为下拉输入模式；
根据所述列线上的I/O管脚的电平状态，判断相应列线上的按键是否有按键按下；
当扫描到所述列线上的I/O管脚的电平状态为高电平时，则根据行线和列线准确识别按键所在的位置。
优选地，不扫描时，初始化所述行线与所述列线的I/O管脚的电平在低电平状态。
本发明的有益效果是：(1)每一个按键或开关均有一二极管相连，使得每个开关的电极不会影响到其他的按键或开关，这样在有多个按键或开关同时按下时，就不会出现误判的情况；(2)本发明的矩阵电路没有电源和上拉阻值元件，所以也就不存在阻值元件消耗电能的问题，同时在不进行扫描的时候，可以维持I/O管脚的电平在低电平状态，使得矩阵电路的功耗更低，更适用于嵌入式系统的应用。
附图说明
图1是常见的4×4的矩阵电路图；
图2是现有的优化的4×4的矩阵电路图；
图3是本发明的矩阵电路的电路图；
图4是用于本发明的矩阵电路进行扫描时的时序图；
图5是本发明实施例4×4的矩阵电路的电路图；
图6是用于本发明实施例的矩阵电路进行扫描时的时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
本发明所揭示的一种矩阵电路，用于准确检测按键的闭合或开启状态。如图3所示，包括N根行线L1，……Ln，N根列线、N×N个按键或开关S11，……Snn，N×N个二极管D11，……Dnn、N个行I/O管脚K1，……Kn和N个列I/O管脚P1，……Pn，其中N为大于零的自然数。所述N根行线与所述N根列线交错放置形成N×N个交叉点，所述每个交叉点上设置一按键和一二极管，所述每个按键的一端接入所述行线的I/O管脚，另一端接入所述二极管的阳极，所述二极管的阴极接入所述列线的I/O管脚，即按键或开关S11，……Snn的一端依次接入行线的管脚K1，……Kn，另一端依次接入二极管D11，……Dnn的阳极，所述二极管D11，……Dnn的阴极依次接入列线的管脚P1，……Pn。
其中，同一列交叉点上的所述二极管共阴极连接，即二极管D11，……D1n的阴极均接入到第一行线的I/O管脚，二极管D21，……D2n的阴极均接入到第二行线的I/O管脚，依此类推，二极管Dn1，……Dnn的阴极均接入到第n行线的I/O管脚。
如图4所示，扫描时，与传统的行线和列线电平设置相反，本发明依次设置行线的I/O管脚为高电平输出，其他行线的管脚保留低电平，列线的I/O管脚设置为下拉输入模式。当无开关或按键按下时，列线与行线均断开，并且列线的I/O管脚上没有电平；当有按键按下时，按键对应的列线与该行线连经按键或开关与二极管接通，相应列线的I/O管脚获得一高电平，再通过行线和列线确定按键或开关所处的列线，从而准确识别按键的位置。
不进行扫描时，本发明在列线的I/O管脚的电平判断上，也和现有的矩阵电路判断逻辑相反。本发明在列线的I/O管脚上检测到高电平时，会认为有按键或开关闭合。现有的矩阵电路上因为有上拉电源的存在，所以在列线的I/O管脚上检测到低电平时才认为有按键或开关闭合。
由于每一个按键或开关均有一二极管相连，使得每个开关的电极不会影响到其他的按键或开关，这样在有多个按键或开关同时按下时，就不会出现误判的情况了。
同时这种矩阵电路没有电源和上拉阻值元件，所以也就不存在传统的矩阵电路中的阻值元件消耗电能的问题。同时在不进行扫描的时候，可以维持I/O管脚K1-Kn和P1-Pn的电平在低电平状态，使得本发明的矩阵电路的功耗更低。
以4×4矩阵电路为例，进一步对本发明的矩阵电路及扫描方法作详细介绍。
如图5所示的4×4矩阵电路的电路图，包括4根行线L1，L2，L3，L4，4根列线、4×4个按键或开关S11，……S44，4×4个二极管D11，……D44、4个行线I/O管脚K1，K2，K3，K4和4个列线I/O管脚P1，P2，P3，P4，所述按键或开关S11，……S44的一端依次接入行线的I/O管脚K1，K2，K3，K4，另一端依次接入二极管D11，……D44的阳极，所述二极管D11，……D44的阴极依次接入列线的管脚P1，P2，P3，P4。
其中，同一列交叉点上的所述二极管共阴极连接，即二极管D11，D13，D13，D14的阴极均接入到第一行线的I/O管脚，二极管D21，D22，D23，D24的阴极均接入到第二行线的I/O管脚，二极管D31，D32，D33，D34的阴极均接入到第三行线的I/O管脚，二极管D41，D42，D43，D44的阴极均接入到第4行线的I/O管脚。
如图6所示，扫描时，依次设置行线的I/O管脚K1-K4为高电平输出，其他行线的I/O管脚保留低电平，列线的I/O管脚P1-P4设置为下拉输入模式。当无开关按键按下时，列线与行线断开，列线的I/O管脚上为低电平；当有按键按下时，按键对应的列线与该行线经开关和二极管接通，按键对应的列线获得一高电平，再通过行线和列线确定按键所处的列，从而识别按键的位置。例如当按键或开关S11的开关闭合时，在行线I/O管脚K1输出高电平，按键或开关S11会将第1行线的电平经二极管D11接入第1列线，这样在第1列线的I/O管脚P1会检测到高电平。这样通过判断可以确定按键或开关S11闭合。假设按键或开关S11并没有闭合，闭合其周围的按键或开关S12，S22，S21，在开始扫描时，第1行线的I/O管脚K1输出高电平时，按键或开关S12会把第1行线的电平接入到第2列线，但是由于二级管D22，D21的存在，即使闭合开关或按键S21、S22，也无法把第2行线的电平接入到第1列线。这样按键或开关S11周围的三个开关闭合也不会导致第1列线的I/O管脚输出高电平，从而不会出现误判按键或开关S11关闭。同理，任何开关的闭合，也不会影响到开关的判断。
同时，本实施例中也没有电源和上拉阻值元件，所有也就不存在传统的矩阵电路中的阻值元件消耗电能的情况发生。同时在不进行扫描的时候，维持I/O管脚K1-K4和I/O管脚P1-P4的电平在低电平状态，使得功耗更低。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种矩阵电路，包括N根行线(L1，……Ln)、N根列线交叉排列的N×N个按键(S11，……Snn)的矩阵电路，其中N为大于零的自然数，其特征在于，还包括N×N个二极管(D11，……Dnn)，所述二极管包括阳极和阴极，所述每根行线和每根列线一端均设置一I/O管脚，所述行线与所述列线交错放置形成N×N交叉点，所述每个交叉点上设置一按键和一二极管，所述每个按键的一端接入所述行线的I/O管脚，另一端接入所述二极管的阳极，所述二极管的阴极接入所述列线的I/O管脚。
2.根据权利要求1所述的矩阵电路，其特征在于，所述每一个按键都连接着一个二极管，隔离不同按键间的影响。
3.根据权利要求1所述的矩阵电路，其特征在于，同一列交叉点上的所述二极管共阴极连接。
4.根据权利要求1所述的矩阵电路，其特征在于，所述二极管为保证信息单向流动的开关二极管。
5.根据权利要求1所述的矩阵电路，其特征在于，扫描时，依次设置相应行线上的I/O管脚为高电平输出，其他行线的管脚保留低电平。
6.根据权利要求1所述的矩阵电路，其特征在于，扫描时，设置所述列线上的I/O管脚为下拉输入模式。
7.根据权利要求1所述的矩阵电路，其特征在于，不扫描时，所述行线与所述列线的I/O管脚的电平均维持在低电平状态。
8.根据权利要求1所述的矩阵电路，其特征在于，当无按键按下时，所述列线与所述行线断开，且所述列线的I/O管脚上没有电平；当有按键按下时，按键所对应的列线与行线接通，相应列线的I/O管脚获得一高电平。
9.根据权利要求1所述的矩阵电路的扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
扫描时，依次设置相应行线上的I/O管脚为高电平输出，其他行线的管脚保留低电平，设置所述列线上的I/O管脚为下拉输入模式；
根据所述列线上的I/O管脚的电平状态，判断相应列线上的按键是否有按键按下；
当扫描到所述列线上的I/O管脚的电平状态为高电平时，则根据行线和列线准确识别按键所在的位置。
10.根据权利要求9所述的扫描方法，其特征在于，不扫描时，初始化所述行线与所述列线的I/O管脚的电平在低电平状态。
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