摘要：對用于單片機的鍵盤子系統的專用鍵盤接口芯片進行功能分析，就芯片中核心部件的時序設計進行狀態描述，并利用可編程邏輯技術和原理輸入方式對鍵盤接口芯片的內部結構加以實現。

關鍵詞：鍵盤子系統 專用鍵盤接口 CPLD 狀態描述

在單片機應用系統中，存在多種形式的外部數據輸入接口界面，例如RS-232C串行通信、鍵盤輸入等[1,4]。其中利用鍵盤接口輸入數據，是實現現象實時調試、數據調整和控制最常用的方法。單片機的外圍鍵盤擴展電路有多種實現方式，例如直接利用I/O接口線或外接8255A接口芯片，配合適當的接口管理程序，就可以實現外圍鍵盤擴展功能。但是，在這些方法中，鍵盤擴展電路需要占用單片機的資源對按鍵進行監控和處理，這對要求高實時性處理的單片機系統是不實現的。為了解決這一問題，可以使用專用鍵盤接口芯片（例如Intel8279）[2]來組建鍵盤子系統。而且，這類專用鍵盤接口芯片在使用靈活性方面尚有欠缺，尤其當用戶需要實現某些特定功能時，其缺點更為明顯。針對上述問題，本文提出一種利用復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）設計技術[3]實現專用鍵盤接口芯片的方案。

1 系統原理

圖1是單片機系統中鍵盤子系統的構成原理框圖。其中鍵盤接口芯片KB-CORE是該子系統的核心部分，它應具備如下功能：第一，產生按鍵掃描時序，并進行硬件去抖動。如果直按鍵按下，實現按鍵編碼、中斷處理等功能。第二，可以區分處理數字鍵和功能鍵。數字鍵鈄由接口芯片暫存，而當功能鍵被按下時申請CPU中斷處理；對多個按鍵同時按下，按一定的編碼優先級處理。第三，提供與MCS-51系列單片機兼容的接口，單片機可以讀取芯片中保存的數據或功能代碼。第四，提供數據顯示接口，可以直接驅動4位七段LED數碼管，并進行動態掃描顯示。

按鍵根據鍵盤子系統的服務對象擬設置子數字鍵(0～9)、功能鍵（ROW、COL、DAT）、清零鍵（CLR）共14個，排成4×4的矩陣，有兩個未定義。

2 專用鍵盤接口芯片功能結構設計

根據上述專用鍵盤芯片KB-CORE的功能要求，圖2示出本芯片內部應有的結構框圖。

圖1是單片機系統中鍵盤子系統的構成原理框圖。其中鍵盤接口芯片KB-CORE是該子系統的核心部分，它應具備如下功能：第一，產生按鍵掃描時序，并進行硬件去抖動。如果直按鍵按下，實現按鍵編碼、中斷處理等功能。第二，可以區分處理數字鍵和功能鍵。數字鍵鈄由接口芯片暫存，而當功能鍵被按下時申請CPU中斷處理；對多個按鍵同時按下，按一定的編碼優先級處理。第三，提供與MCS-51系列單片機兼容的接口，單片機可以讀取芯片中保存的數據或功能代碼。第四，提供數據顯示接口，可以直接驅動4位七段LED數碼管，并進行動態掃描顯示。

按鍵根據鍵盤子系統的服務對象擬設置子數字鍵(0～9)、功能鍵（ROW、COL、DAT）、清零鍵（CLR）共14個，排成4×4的矩陣，有兩個未定義。

2 專用鍵盤接口芯片功能結構設計

根據上述專用鍵盤芯片KB-CORE的功能要求，圖2示出本芯片內部應有的結構框圖。

根據狀態圖3和上述的狀態轉移描述，進行鍵盤掃描控制電路的設計，結果如圖4所示。其中H3是6位循環移位寄存器，由時鐘CLK觸發實時狀態移位。移位寄存器的輸出Q0～Q5分別代表鍵盤掃描控制電路的狀態S0～S6，當然它們并非一一對應，但實現的功能相同。值得一提的是，如果專用鍵盤芯片KB-CORE的外部時鐘CLK來自單片機的ALE信號（如圖1所示），當單片機時鐘為6MHz時，則專用鍵盤芯片KB-CORE的外接時鐘為1MHz的方波信號，信號周期為1μs。如果將該時鐘信號經過一個分頻器，使其輸出的信號周期約為Tclk=1μs×2 12≈4ms，然后再作為H3的時鐘信號。這意味著鍵盤掃描控制電路約4ms掃描一行按鍵。如果H3中的Q2態沒有被使用，則可以實現約8ms的去抖動延時。通過這樣的設計，可以免除延時計數器，簡化電路。

4 專用鍵盤接口芯片的實現

根據實時數據校正系統的設計要求，使用了34上自定義I/O引腳和PC44封裝的CPLD來實現專用鍵盤接口芯片KB-CORE。芯片型號的選擇依據綜合所需要的宏單元（Macrocells）個數決定。如果借助硬件描述語言VHDL[5]對上述設計進行描述，綜合結果需要約140個宏單元；如果改用原理圖輸入方式，則只需約60個宏單元。因此選用XC9572芯片可以滿足上述專用鍵盤接口芯片KB-CORE的要求。實際使用如圖1和圖2所示。操作結果表明鍵盤接口芯片性能穩定。

（轉自 中國電子技術信息網）