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隨著(zhù)以計算機技術(shù)、通信技術(shù)和軟件技術(shù)為核心的信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應用。嵌入式系統已成為當今IT行業(yè)的焦點(diǎn)之一。而在嵌入式系統中，鍵盤(pán)是重要的人機交互設備之一。嵌入式Linux是一種開(kāi)放源碼、軟實(shí)時(shí)、多任務(wù)的操作系統，是開(kāi)發(fā)嵌入式產(chǎn)品的優(yōu)秀操作系統平臺，是在標準Linux基礎上針對嵌入式系統進(jìn)行優(yōu)化和裁剪后形成的，因此具有Linux的基本性質(zhì)。在此提出的矩陣鍵盤(pán)驅動(dòng)程序的設計方案是以嵌入式Linux和TIOMAP5912處理器為軟硬件平臺的，在設計的嵌入式語(yǔ)音識別應用平臺中，通過(guò)測試，表明其具有良好的穩定性和實(shí)時(shí)性。 1 硬件原理 OMAP5912處理器是由TI應用最為廣泛的TMS320C55X DSP內核與低功耗、增強型ARM926EJ—S微處理器組成的雙核應用處理器。用這樣一種組合方式將2個(gè)處理器整合在1個(gè)芯片后，開(kāi)發(fā)人員可以根據實(shí)際情況，利用DSP運行復雜度較高的數字信號處理任務(wù)，利用ARM運行通信、控制和人機接口方面的任務(wù)，從而使便攜式設備在保持良好人機交互環(huán)境的基礎上，有效地降低功耗。在外設方面，OMAP5912微處理器支持常用的各種接口，其中通過(guò)MPUIO接口最多可支持8×8的矩陣鍵盤(pán)，系統中采用這個(gè)接口擴展了一個(gè)4×5的矩陣鍵盤(pán)。其硬件連接示意圖如圖1所示，其中按鍵行陣列必須提供上拉信號，列陣列加二極管，防止瞬間電流過(guò)大對MPUIO口造成沖擊。 按照鍵盤(pán)的構造方式人們把鍵盤(pán)劃分為線(xiàn)性鍵盤(pán)和矩陣鍵盤(pán)。其中，線(xiàn)性鍵盤(pán)是指每個(gè)按鍵都占用嵌入式處理器的1個(gè)I／O端口，并通過(guò)這個(gè)I／O端口實(shí)現人機交互，各個(gè)按鍵之間互不影響。使用這種方案的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠，但是線(xiàn)性鍵盤(pán)對I／O端口的占用量很大。因此，嵌入式系統中很少采用這種方法。 另外一種矩陣鍵盤(pán)是指當按鍵數量過(guò)多時(shí)，采用矩陣的排列方法，將按鍵設計成n行m列的矩陣形式。其中，每個(gè)按鍵占用行和列的1個(gè)交叉點(diǎn)，并且以行和列為單位引出信號線(xiàn)。這樣只需要占用n+m個(gè)I／O端口，卻可以驅動(dòng)n×m個(gè)按鍵，大大節省了對嵌入式處理器I／O端口的占用，節省了寶貴的資源。矩陣鍵盤(pán)在減少嵌入式處理器I／O端口占用的問(wèn)題上做出了很大的貢獻，但隨之而來(lái)的問(wèn)題是如何確定矩陣中按鍵的位置，這里采用列掃描法，其思路如下： 在鍵盤(pán)初始化階段，所有的列信號(KBC)都被設置輸出為低電平。如果矩陣鍵盤(pán)中的1個(gè)按鍵按下，則相應的行信號和列信號線(xiàn)短路，行信號線(xiàn)(KBR)輸入由高電平變?yōu)榈碗娖�，產(chǎn)生1個(gè)中斷，然后在驅動(dòng)的中斷服務(wù)程序中按照表1中的序列逐列掃描列信號，讀取行信號的狀態(tài)，根據讀回來(lái)的行信號狀態(tài)就可以判斷有那些按鍵按下。 另外，鍵盤(pán)驅動(dòng)必須解決的一個(gè)問(wèn)題是鍵盤(pán)的抖動(dòng)。在按鍵按下和抬起的過(guò)程中，電壓信號會(huì )出現很多毛刺，這主要是由于機械按鍵的彈性作用引起的。盡管觸點(diǎn)看起來(lái)非常穩定，而且快速地閉合，但相對于嵌入式處理器的運行速度來(lái)說(shuō)，這種動(dòng)作是比較慢的。這種脈沖在某些按鍵功能設計時(shí)，如果處理不當可能會(huì )帶來(lái)災難性的后果。所以必須對按鍵信號進(jìn)行防抖檢測。按鍵防抖檢測的核心思想是在嵌入式處理器的幾個(gè)時(shí)鐘周期內，通過(guò)對按鍵信號進(jìn)行多次訪(fǎng)問(wèn)，查看電平狀態(tài)是否保存一致。如果保持一致，則說(shuō)明按鍵狀態(tài)已經(jīng)穩定；否則，說(shuō)明之前檢測到的按鍵信號是抖動(dòng)信號或外界信號干擾，系統將不會(huì )對其進(jìn)行任何處理。 2 嵌入式Linux設備驅動(dòng)程序 在Linux內核源代碼中，各種驅動(dòng)程序的代碼量占據了整個(gè)Linux代碼的85％�？梢�(jiàn)，Linux設備驅動(dòng)在整個(gè)操作系統中起著(zhù)舉足輕重的作用。設備驅動(dòng)是操作系統內核和機器硬件之間的接口，它們控制著(zhù)設備的操作動(dòng)作，并且提供了一組API接口給應用程序，使得應用程序能夠與這個(gè)設備互動(dòng)。而且，設備驅動(dòng)為應用程序屏蔽了硬件的細節，在應用程序看來(lái)，硬件設備只是1個(gè)設備文件，應用程序就可以像操作普通文件一樣對硬件設備進(jìn)行操作。在Linux操作系統中，通常將外圍設備分為3種類(lèi)型：字符設備、塊設備和網(wǎng)絡(luò )設備。 而在Linux操作系統中，還有一類(lèi)設備被定義為“平臺設備”，通常So(System on Chip)系統中集成的獨立的外設單元都被當作平臺設備來(lái)處理，這里把4×5的矩陣鍵盤(pán)也定義為平臺設備。所謂的“平臺設備”并不是與字符設備、塊設備和網(wǎng)絡(luò )設備并列的概念，而是Linux系統提供的一種附加手段，例如，鍵盤(pán)驅動(dòng)，它本身是字符設備，但也將其歸納為平臺設備。 另外，鍵盤(pán)又屬于輸入設備，Linux內核提供了輸入子系統，如鍵盤(pán)、觸摸屏、鼠標等輸入設備都可以利用輸入子系統的接口函數來(lái)實(shí)現設備驅動(dòng)。輸入子系統由核心層(Input Core)、驅動(dòng)層和事件處理層(EventHandler)三部分組成。在Linux內核中，使用輸入子系統實(shí)現輸入設備驅動(dòng)的時(shí)候，驅動(dòng)的核心工作是向系統報告按鍵、觸摸屏、鼠標等輸入事件。而不再需要關(guān)心文件操作接口，因為輸入子系統已經(jīng)完成了文件操作接口。通過(guò)輸入子系統，實(shí)現輸入設備驅動(dòng)時(shí)只需要完成以下工作： (1)在模塊加載函數中告知輸入子系統輸入設備可以報告的事件。例如，可通過(guò)_set_bit(EV_KEY，input_dex，一＞evbit)來(lái)告知輸入子系統該設備可報告按鍵事件。 (2)在模塊加載函數中注冊輸入設備。注冊函數為：int input_register_device(struct input_dev*dev)； (3)當有輸入事件發(fā)生時(shí)，如按鍵按下／抬起、觸摸屏被觸摸／抬起／移動(dòng)時(shí)，通過(guò)input_report_xxx()報告發(fā)生的事件及對應的鍵值、坐標等狀態(tài)。主要的事件類(lèi)型包括EV_KEY(按鍵事件)、EV_REL(相對值，如鼠標移動(dòng)，報告相對于最后一次位置的偏移)和EV_ABS(絕對值，如觸摸屏)。用于報告EV_KEY事件的函數為：void input_report_key(struct input_dev*dev，un—signed int code，int value)； (4)在模塊卸載函數中注銷(xiāo)輸入設備。注銷(xiāo)輸入設備的函數為：void input_unregister_device(struct in—put_dev*dev)； 3 矩陣鍵盤(pán)驅動(dòng)中的數據結構 首先，定義一個(gè)整型數組osk_keymap[]用來(lái)定義按鍵映射表，把20個(gè)按鍵返回的碼值映射成內核中標準的鍵碼，這樣有利于與上層應用程序的交互。通過(guò)KEY(col，row，code)宏定義來(lái)實(shí)現映射關(guān)系，如要把第2行第4列的按鍵映射為回車(chē)鍵，則通過(guò)KEY(3，1，KEY_ENTER)便可實(shí)現。其中KEY_ENTER是內核中定義的標準的鍵碼。 其次，定義矩陣鍵盤(pán)的設備結構體omap_kp，其定義如下： 4 矩陣鍵盤(pán)驅動(dòng)程序設計及測試 首先，實(shí)現矩陣鍵盤(pán)驅動(dòng)的加載和卸載函數，分別通過(guò)調用platform_drivet_register()和platform_driV—er_unregister()實(shí)現矩陣鍵盤(pán)作為一個(gè)平臺設備的注冊和注銷(xiāo)。 其次，實(shí)現矩陣鍵盤(pán)驅動(dòng)的探測和移除函數。在探測函數中，初始化行數、列數、中斷號以及按鍵映射表。然后分配內存空間和輸入設備，初始化omap_kp這個(gè)設備結構體和輸入設備結構體input_dev，初始化定時(shí)器，設置輸入設備可以報告的事件類(lèi)型，并注冊輸入設備。最后申請中斷，申請中斷成功后，使能中斷。移除函數則完成相反的工作。 最后，實(shí)現矩陣鍵盤(pán)驅動(dòng)的核心部分，也就是中斷部分。眾所周知，在Linux的中斷處理中分為2部分，分別是頂半部(top half)和底半部(bottom half)。頂半部完成盡可能少的比較緊急的功能，它只是簡(jiǎn)單地讀取寄存器中的中斷狀態(tài)并清除中斷標志后就進(jìn)行“登記中斷”的工作�！暗怯浿袛唷币馕吨�(zhù)將底半部處理程序掛到該設備的底半部執行隊列中去。這樣。頂半部執行的速度就會(huì )很快，可以服務(wù)更多的中斷請求。底半部，是實(shí)現中斷處理的真正部分，它來(lái)完成一些延緩的耗時(shí)任務(wù)，首先通過(guò)列掃描法檢測各個(gè)按鍵狀態(tài)有沒(méi)有變化，若有變化再判斷是哪一列哪一行發(fā)生變化，按鍵的行和列確定以后，通過(guò)鍵值映射表來(lái)查找其有沒(méi)有對應的鍵值；若有則通過(guò)input_report_key()向內核報告按鍵的鍵值；否則，對應的按鍵沒(méi)有定義鍵值，向內核報告為假按鍵(Spurious Key)。然后，延時(shí)(1／20)Hz再判斷按鍵是否抬起。 驅動(dòng)開(kāi)發(fā)完成后，以模塊方式加入到內核，并在MiniGui和Qtopia下進(jìn)行了測試，在Qtopia下測試結果如圖2所示，證明矩陣鍵盤(pán)驅動(dòng)工作正常、有效。 5 結 語(yǔ) 在此介紹了基于0MAP5912和嵌入式Linux的一種矩陣鍵盤(pán)驅動(dòng)的工作原理和開(kāi)發(fā)方案。該驅動(dòng)以靜態(tài)方式加入內核后，通過(guò)測試證明矩陣鍵盤(pán)驅動(dòng)工作穩定、高效，在MiniGui和Qtopia的記事本中，都能正確顯示正確的鍵值，基本上實(shí)現了其功能，并成功地應用于所開(kāi)發(fā)的嵌入式語(yǔ)音識別系統中。 |
