摘要 針對(duì)嵌入式系統(tǒng)日益小型化的要求，設(shè)計(jì)一種基于Windows CE.Net平臺(tái)的硬件簡(jiǎn)單而實(shí)用的矩陣鍵盤。重點(diǎn)介紹該矩陣鍵盤流接口驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，并在驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中運(yùn)用一種全新的中斷與掃描相結(jié)合的矩陣鍵盤定位方法。

關(guān)鍵詞  Windows CE.Net  矩陣鍵盤  中斷  流驅(qū)動(dòng)

引言

     隨著現(xiàn)代科技日新月異的發(fā)展，作為新興產(chǎn)業(yè)的嵌入式移動(dòng)信息設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越廣。這些嵌入式設(shè)備中的PDA以其體積小、重量輕、便于攜帶、功能強(qiáng)大、功耗低等特點(diǎn)而備受青睞。鍵盤作為一種最為普通的輸入工具在PDA上顯得尤為重要。PDA因其體積小、功能專一等特點(diǎn)決定了它的鍵盤不大可能采用普通PC機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，因而大多數(shù)PDA采用鍵數(shù)相對(duì)較少的矩陣鍵盤。矩陣鍵盤設(shè)計(jì)也是多種多樣，有外接鍵盤管理芯片設(shè)計(jì)的，如采用CH452、 UR5HCSPI等芯片；有外接普通單片機(jī)設(shè)計(jì)的，如采用8051、2051等單片機(jī)；也有不采用任何外圍芯片直接與CPU的I/O口相連設(shè)計(jì)的。本文介紹一種在Windows CE.Net操作系統(tǒng)下，直接與CPU的I/O口相連的矩陣鍵盤的硬件設(shè)計(jì)方案，以及相應(yīng)的流接口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方案。

1  Windows CE.Net介紹

    Windows CE是Microsoft公司專門為信息設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、嵌入式應(yīng)用等非PC領(lǐng)域而全新設(shè)計(jì)的戰(zhàn)略性嵌入式操作系統(tǒng)。Windows CE的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：模塊化以及可伸縮性、實(shí)時(shí)性能好、通信能力強(qiáng)、支持多種CPU[1]。

     Windows CE.Net是Windows CE 3.0的后續(xù)產(chǎn)品，它不僅是一個(gè)功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，而且提供了眾多強(qiáng)大工具，允許用戶利用它快速開發(fā)出下一代的智能化小體積連接設(shè)備。借助于完善的操作系統(tǒng)功能和開發(fā)工具，Windows CE.Net提供了構(gòu)建、調(diào)試和部署基于Windows CE.Net的定制設(shè)備所需的一切特性。

     Windows CE.Net的最大好處是具有可定制性。當(dāng)它自帶的驅(qū)動(dòng)程序不能滿足用戶的要求時(shí)，需要用戶自己編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。Windows CE.Net的開發(fā)工具Platform Builder就可以完成相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。

2  矩陣鍵盤硬件設(shè)計(jì)

     嵌入式設(shè)備上的鍵盤作為一種輸入工具，有著極其重要的作用；然而受設(shè)備本身體積影響，鍵盤設(shè)計(jì)大多數(shù)采用20個(gè)左右的鍵值（0—9數(shù)字鍵、上下左右方向鍵、確定取消鍵以及輸入法切換鍵ALT、TAB，具體視應(yīng)用而定）。這里采用4×5的矩陣鍵盤設(shè)計(jì)，即4行5列。把這些矩陣鍵盤的行和列直接與 CPU的I/O口相連，可以充分利用CPU的I/O口資源，降低硬件和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)難度，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并在一定程度上降低設(shè)備的生產(chǎn)成本。采用矩陣式鍵盤設(shè)計(jì)還可以最大限度地節(jié)省CPU的I/O口資源。這里用到了CPU的9個(gè)I/O口，其中4個(gè)I/O口作為中斷I/O口。為了使I/O口的初始輸入狀態(tài)為高電平，需要在與鍵盤相連的每個(gè)I/O口上接起初始化電平作用的上拉電阻（100 kΩ）。上拉電阻的阻值根據(jù)I/O口端口的電流值來(lái)確定。如果相鄰I/O口的布線過近，相鄰I/O口的電平跳變可能會(huì)相互影響，導(dǎo)致掃描按鍵不準(zhǔn)確，這時(shí)就需要在每個(gè)I/O口上接一個(gè)濾波電容到地，減少串?dāng)_。支持Windows CE.Net操作系統(tǒng)的CPU有很多種，比較常見的有三星公司的S3C2440、2410 ARM芯片和Intel公司的PXA255、270 ARM芯片，這里的CPU芯片采用的是PXA255。不同CPU之間，矩陣鍵盤硬件設(shè)計(jì)相同。矩陣鍵盤硬件設(shè)計(jì)電路原理如圖1所示。

圖1  矩陣鍵盤（4×5）電路原理

3  矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1  矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)開發(fā)策略

Windows CE.Net中的驅(qū)動(dòng)可分為兩種模式：本機(jī)驅(qū)動(dòng)模式和流驅(qū)動(dòng)模式[2]。前者比較適合集成在本機(jī)上的設(shè)備，后者則通常用在用戶添加的外圍設(shè)備上。本文討論的矩陣鍵盤作為一種外圍設(shè)備適合采用流驅(qū)動(dòng)模式。

3.2  矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)加載過程

     Windows CE.Net系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)默認(rèn)啟動(dòng)DEVICE.EXE進(jìn)程。DEVICE.EXE就是負(fù)責(zé)加載所有流驅(qū)動(dòng)的，進(jìn)程對(duì)流驅(qū)動(dòng)的加載通過注冊(cè)表列舉器（RegEnum.dll）來(lái)實(shí)現(xiàn)。鍵盤的資源信息由OEM適配層（OAL）記錄在注冊(cè)表中，RegEnum.dll是通過掃描注冊(cè)表項(xiàng) HKEYLOCALMACHINEDriversBuiltInPWRBUTTON下的鍵值對(duì)矩陣鍵盤進(jìn)行初始化的。注冊(cè)表中關(guān)于矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)信息如下：

[HKEY_LOCAL_MACHINEDriversBuiltInPWRBUTTON]
"Prefix"="PWR"//設(shè)備文件名前綴
"Dll"="PwrButton.Dll"//鍵盤驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)名
"Order"=dword:2//鍵盤驅(qū)動(dòng)加載順序
"Ioctl"=dword:4

3.3  矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)重要函數(shù)設(shè)計(jì)

流接口驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)就是把外設(shè)的使用傳遞給應(yīng)用程序。這是通過把設(shè)備表示為文件系統(tǒng)的一個(gè)特殊文件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)流接口的驅(qū)動(dòng)程序都必須實(shí)現(xiàn)一組標(biāo)準(zhǔn)的接口函數(shù)。由于矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)采用了流驅(qū)動(dòng)模式設(shè)計(jì)，故矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)使用標(biāo)準(zhǔn)的流驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)，也稱“矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)的DLL接口”。DLL接口的具體描述如表1所列。

表1  矩陣鍵盤流驅(qū)動(dòng)程序的DLL接口
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矩陣鍵盤作為一種輸入設(shè)備與其他外圍設(shè)備有很大的區(qū)別，應(yīng)用層不能對(duì)其發(fā)布命令來(lái)操作它。因此一般流驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)中對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的接口函數(shù)在矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)中只是作了保留，并未有實(shí)質(zhì)性的功能。接口函數(shù)中比較重要的是PWR_Init和PWR_DllEntry。下面簡(jiǎn)單介紹這兩個(gè)函數(shù)：

①  PWR_DllEntry。驅(qū)動(dòng)程序的入口函數(shù)，當(dāng)Windows CE.NET加載或斷開DLL時(shí)調(diào)用，其中dwReason指明了調(diào)用的原因。
②  PWR_Init。接口函數(shù)PWR_Init完成矩陣鍵盤流驅(qū)動(dòng)程序的初始化，首先完成矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)涉及的CPU的I/O口寄存器和中斷控制寄存器的地址映射工作。接下來(lái)設(shè)置中斷服務(wù)線程優(yōu)先級(jí)，最后創(chuàng)建中斷服務(wù)線程和初始化I/O口。

3.4  矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)中斷處理設(shè)計(jì)

（1）  矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)原理概述
       矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)的主要作用就是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外部按鍵中斷，一旦發(fā)現(xiàn)外部有鍵按下就向內(nèi)核發(fā)送鍵盤消息實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入功能。鍵盤驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建了中斷服務(wù)線程和4個(gè)鍵盤中斷事件，每行按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)鍵盤中斷事件。有鍵被按下時(shí)，中斷服務(wù)例程得到對(duì)應(yīng)的中斷標(biāo)識(shí)符并報(bào)告給系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度進(jìn)程，同時(shí)產(chǎn)生鍵盤中斷事件，鍵盤中斷服務(wù)線程響應(yīng)鍵盤中斷事件，開始掃描矩陣鍵盤。根據(jù)產(chǎn)生的中斷事件類型不同，可以首先確定被按下鍵的行位置。由于鍵盤被按下后，該鍵對(duì)應(yīng)的行和列被連通，因此根據(jù)判斷各列對(duì)應(yīng)的I/O口的電平，可以得到被按下鍵的列位置；得到按鍵的準(zhǔn)確位置后，通過向操作系統(tǒng)發(fā)送鍵盤消息KEYBD_EVENT,實(shí)現(xiàn)一次鍵盤輸入。循環(huán)掃描鍵盤，直到按鍵被彈起則發(fā)送KEYEVENTF_KEYUP事件。響應(yīng)鍵盤中斷輸入的整個(gè)流程如圖2所示。

圖2  響應(yīng)鍵盤中斷輸入流程圖

實(shí)際上，矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)就是鍵盤中斷處理的設(shè)計(jì)。下面就對(duì)矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)中的中斷處理設(shè)計(jì)作詳細(xì)的介紹。

（2）  在OAL層加入中斷源
         矩陣鍵盤采用4路I/O口中斷，每路中斷對(duì)應(yīng)1個(gè)中斷源。矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)首先要在OAL層加入這些中斷源。以其中一路中斷為例：
#define SYSINTR_KEYONE(SYSINTR_FIRMWARE+0)

（3）  中斷服務(wù)例程（ISR）設(shè)計(jì)
        本鍵盤驅(qū)動(dòng)將GPIO_6、GPIO_7、GPIO_16、GPIO_17四個(gè)I/O口作為中斷 I/O口。有鍵被按下時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)I/O中斷，內(nèi)核首先進(jìn)入異常中斷處理程序，由它屏蔽所有中斷，再調(diào)用中斷服務(wù)例程ISR得到該中斷的邏輯中斷標(biāo)識(shí)。鑒于ISR的任務(wù)比較單一，ISR通常都要求越短、越快越好。矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)的ISR設(shè)計(jì)如下：
if(v_pGPIOReg﹥GEDR_x & GPIO_6) {//中斷觸發(fā)
v_pGPIOReg﹥GEDR_x = GPIO_6;//清除中斷
return SYSINTR_KEYONE;//返回中斷標(biāo)識(shí)}

其他三路中斷的ISR設(shè)計(jì)與此類似。

（4）  中斷服務(wù)線程（IST）設(shè)計(jì)
       中斷服務(wù)例程以鍵盤中斷的邏輯中斷標(biāo)識(shí)符形式返回給系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度進(jìn)程，中斷服務(wù)線程則在矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)中負(fù)責(zé)具體中斷處理。因?yàn)橹袛喾?wù)例程較小，并且只做很少的處理工作，中斷服務(wù)線程就必須完成大多數(shù)中斷處理工作，功能主要包括響應(yīng)中斷、掃描按鍵位置、發(fā)送鍵盤消息等。
       矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)的IST設(shè)計(jì)如下：矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)了4個(gè)中斷事件HANDLE hKEYEvents[4]，分別對(duì)應(yīng)矩陣鍵盤4行產(chǎn)生的中斷。在矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)的IST中，調(diào)用CreateEvent函數(shù)創(chuàng)建4個(gè)事件對(duì)象，接著調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)InterruptInitialize完成中斷和事件的關(guān)聯(lián)并使能中斷。完成這些初始化工作后，就可以調(diào)用 WaitForMultipleObjects (hKEYEvents)函數(shù)進(jìn)入鍵盤事件的等待隊(duì)列中。當(dāng)有事件被捕獲后，根據(jù)不同的事件類型進(jìn)入不同的鍵盤掃描處理程序（以其中一路中斷為例）：

switch (dwEvent?WAIT_OBJECT_0){//事件類型
case 0://第1行鍵盤有鍵按下
v_pGPIOReg﹥GPDR_x &= ~ (GPIO_13);//設(shè)為輸入
v_pGPIOReg﹥GPDR_x |= (GPIO_6);//中斷I/O輸出
v_pGPIOReg﹥GPCR_x |= (GPIO_6);//輸出低電平
while(!(v_pGPIOReg﹥GPLR_x & GPIO_13)) {//掃描矩陣鍵盤，判斷按鍵列位置
if(num==1)//第1次連發(fā)延時(shí)400 ms
Sleep(400);
else
Sleep(100)；//按鍵延時(shí)去抖
if(!(v_pGPIOReg﹥GPLR_x & GPIO_13)){//列位置
keybd_event('0' ,0x71, 0, 0);//發(fā)鍵盤消息
num++;//連發(fā)計(jì)數(shù)
}
else{
if((v_pGPIOReg->GPLR_x & GPIO_13)&&num>0){
num=0;//按鍵彈起
keybd_event('0',0x71, KEYEVENTF_KEYUP, 0);}
}
}

中斷處理完成后恢復(fù)I/O口的初始電平，調(diào)用InterruptDone函數(shù)恢復(fù)中斷，使其能響應(yīng)下一次同樣的中斷。


結(jié)語(yǔ)

      隨著嵌入式設(shè)備應(yīng)用的日益廣泛，特別是微軟的嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE.NET的普及，Windows CE.NET下矩陣鍵盤設(shè)計(jì)得到了越來(lái)越多開發(fā)者的重視。本文所討論的Windows CE.NET下矩陣鍵盤設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單、高效、實(shí)用。特別適合于I/O口資源充足的嵌入式PDA上，現(xiàn)已成功應(yīng)用于某衛(wèi)星定位系統(tǒng)的鍵盤設(shè)計(jì)上。