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QWERTY鍵盤的構造模塊與如何實現設計

電子設計 ? 作者:電子設計 ? 2018-10-22 08:28 ? 次閱讀

隨著手機及其他便攜手持裝置的功能不斷增加,設計的取舍平衡亦日趨精細。文本信息網絡瀏覽等流行功能都要求更多的數據輸入,而這對于傳統的雙音多頻 (DTMF) (0-9, #, *) 鍵盤會比較困難。使用這種鍵盤要求多端數據輸入,輸入效率低而且容易出錯。

圖 1 – QWERTY 鍵盤(摩托羅拉 A630)

使文本輸入更為方便的一個方法是使用 QWERTY 鍵盤(見圖 1)。這種鍵盤采用 40 個或更多按鍵,而 DTMF 手機通常采用 12 個。當然,多出的按鍵會使手機體積變大,用到的電子組件也更多。

然而,文本信息用戶可能樂意以體積換取 QWERTY 鍵盤,因為文本輸入大為簡便了,而且兩個大拇指都可以用來輸入文本信息或數據。最近,有些手機生產商已經推出了面向文本用戶的帶 QWERTY 鍵盤的手機。

數據輸入鍵盤可以用多種方法來設計,并無一定之規。為傳統 DTMF 鍵盤添加更多按鍵對設計人員提出了挑戰,本文即討論應對這挑戰的一種可能解決方案。

QWERTY 構建模塊

我們的解決方案使用 Xilinx CoolRunner -II CPLD" target="_blank">CPLD;低功耗、小包裝及低成本的特點使其成為此應用的理想選擇。

將 DTMF 轉化為 QWERTY 鍵盤需要更多按鍵,從而需要更多通用 I/O (GPIO" target="_blank">GPIO)。例如,DTMF 鍵盤可能只有四行三列,而 QWERTY 鍵盤可能有多至八行八列。不過,鍵盤的大小可根據終端系統的需求而定。

通常,將處理器DSP 用作連接鍵盤行和列的界面(見圖 2)。處理器對行進行掃描,對列進行監控,以檢測邏輯變化。當變化發生,即表示用戶按下了一個按鍵。知道被掃描的是哪一行,以及哪一列的狀態發生了變化,處理器即可推斷出按下的是哪個按鍵。

擴展 I/O

設計需要更多 I/O 的鍵盤時(QWERTY 鍵盤即為一例),可能會發現現有處理器沒有足夠的 GPIO。一種可能的解決方法是,把一個 CPLD 用作 I/O 擴展器,從而減少對處理器 I/O 數量的要求。

圖 3 在處理器與鍵盤之間使用了一個 CPLD,其一側連接鍵盤的行/列,另一側連接處理器的可用 GPIO。此例中,使用一個 CPLD 后,一個 8 x 8 的鍵盤所需要的處理器 GPIO 端口的數目與 4 x 4 的鍵盤相同(實際上還少一個)。如果不使用 CPLD,處理器會需要 16 個 GPIO 端口,而不是 7 個。

掃描與編碼

除了減少處理器對 GPIO 的數量要求外,CPLD 還可以承擔處理器的某些功能,如:對行進行掃描并對列進行監控以檢測狀態變化。當用戶按鍵時,CPLD 會停止掃描,并立即生成一個編碼字,然后發送給處理器,告訴處理器哪個鍵按下了。因為使用了編碼字來告知處理器按下了哪個按鍵,對處理器的 I/O 需求得以減輕。

圖 3 – 使用 CoolRunner-II CPLD 擴展 GPIO

在圖 3 所示例子中,用 6 個位來代表編碼字。6 個位提供 26(即 64)個不同的值,每個值代表一個按鍵。然而,還必須有一個值代表無按鍵被按時的狀態。因此,在此例中,在不添加又一個 GPIO 的情況下,實際上只有 63 個按鍵可被代表。

處理器無需掃描鍵盤,因為這一操作現由 CPLD 執行;不過,處理器仍需監控其 GPIO 上的變化 – 它只是不再需要推斷哪個按鍵被按,因為該信息編碼到一個六位字中了。

還需要用到的是開關抖動,這可以安排在 CPLD 中或處理器中,取決于哪個裝置有可用資源。在處理器中進行這一操作,可將 CPLD 的大小和成本降到最小。

簡要總結此設計示例:CPLD 對鍵盤進行掃描,檢測被按下的按鍵,然后提供一個編碼字供處理器讀取并解析。這一功能不僅使處理器不必再承擔掃描任務,還擴展了 GPIO 的功能。

此設計非常適合于 CoolRunner-II 32 宏單元裝置(利用率大約為 75%),留下 25% 空間作他用。此外,此設計還采用了其他一些方法來減少功耗并利用 CoolRunner-II 的節能功能。

CPLD 設計詳述

要掃描鍵盤的行,桶式移位寄存器除一位預置為零外,其他所有位均預置為 1。移位寄存器的每一位驅動 CPLD 上的一個輸出引腳,后者與鍵盤的行相連。當移位寄存器開始計時時,零位通過桶式移位器移位,將行逐行置低,以對其進行掃描。鍵盤的列輸入到 CPLD,每個輸入都通過一個內部上拉電阻上拉。

當沒有按鍵被按時,CPLD 的所有列輸入都被動上拉至邏輯高位。對所有的列輸入一起進行“與”操作,這時輸出端的邏輯 1 表示沒有按鍵被按。

“與”操作的輸出用于啟動移位寄存器。當按鍵被按下時,列與行取得連接,按下的鍵所在的列被與該按鍵相關的行置低。“與”操作的輸出將變為零,從而在按鍵被按下時中止移位寄存器。

此時,移位寄存器將按下的鍵所在的行置低,而該鍵所在的列亦處于低位。為了使這些信息相關聯,使用了兩個編碼器:一個用于行位(移位寄存器的輸出),另一 個用于列輸入。兩個編碼器的輸出組合起來,就構成發送給處理器的編碼字。圖 4 為這一操作的模塊圖。

結束語

使用 Xilinx CoolRunner-II CPLD,獲得的是靈動的設計與低功耗。除了 I/O 擴展之外,CPLD 還可以加入其他“粘合”功能,如:電壓轉換、I/O 標準轉換與輸入滯后。

由于 CPLD 為可編程,您可以將同一裝置用于不同的鍵盤和產品,而收高產量低成本之效。可再編程的特點輔之以簡便易用的設計工具,使您可以對設計進行晚期更改,降低風險。

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規問題,請聯系本站處理。 舉報投訴
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