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引言 隨著(zhù)嵌入式系統的飛速發(fā)展，在嵌入式手持設備中，人機交互設備是與用戶(hù)接觸最多的部分，最能夠直接快速地體現出該設備的性能。所以，是否有一個(gè)友好的、快速的、可靠的人機交互設備已經(jīng)成為衡量一款手持設備的重要指標。在嵌入式人機交互設備中，鍵盤(pán)由于其具有很高的準確性和可靠性，能夠適應各種惡劣的工作環(huán)境，并且具有很長(cháng)的使用壽命，而得到廣泛應用。 本文根據手持終端的特點(diǎn)，設計出一款矩陣鍵盤(pán)，并在Linux平臺下開(kāi)發(fā)出鍵盤(pán)的驅動(dòng)程序。采用Qt／Embedded構建圖形界面，通過(guò)對Qt／Embedded自帶輸入法的分析，結合Murphpinyin中文輸入法軟件包，構建了一款可輸入數字、中／英文的嵌入式鍵盤(pán)。 1 硬件設計 本系統的硬件部分主要是一個(gè)4列5行的矩陣鍵盤(pán)，如圖1所示。其中列線(xiàn)COL0～COL3使用了S3C2440的4個(gè)中斷引腳——EINT10、ENIT13、EINT15、EINT20，并且每根列線(xiàn)都有一個(gè)4.7 kΩ的上拉電路，把中斷引腳電平拉高，確保按鍵空閑時(shí)不會(huì )觸發(fā)中斷；行線(xiàn)ROW0～ROW4使用的是S3C2440的5個(gè)普通I／O口——GPE11、 GPE13、GPG3、GPG6、GPG11。這里需要注意的問(wèn)題是，一定要確保列線(xiàn)所用的中斷在Linux的各個(gè)設備中尚未使用到，否則在后面的驅動(dòng)程序中將會(huì )造成驅動(dòng)程序初始化失敗。 
考慮到手持終端操作的方便性，將所有的按鍵進(jìn)行重新布局，如圖2所示。為了延長(cháng)手持設備的使用壽命、提高可靠性，增加了電源按鍵Power。另外，考慮到手持設備的低功耗要求，增加了背光控制按鈕Back- Light，通過(guò)控制LCD_PWREN引腳的高低電平，控制LCD背光的開(kāi)關(guān)。其中電源按鍵Power、背光控制按鍵BackLight為單獨按鍵，直接與S3C2440的中斷引腳相連。本文重點(diǎn)對矩陣鍵盤(pán)做詳細介紹，電源按鍵和背光控制按鍵的處理機制與矩陣鍵盤(pán)類(lèi)似，這里不再做介紹。
2 軟件設計 2.1 矩陣鍵盤(pán)的Linux驅動(dòng)程序設計 矩陣鍵盤(pán)是作為L(cháng)inux的一個(gè)字符設備注冊到系統中的。為了降低對系統資源的損耗，采用中斷處理函數對按鍵做處理；同時(shí)考慮到按鍵的抖動(dòng)問(wèn)題，采用定時(shí)器來(lái)消除抖動(dòng)。 該驅動(dòng)程序的流程如圖3所示。首先，使用 S3C2440_Kb_init()函數將鍵盤(pán)作為一個(gè)字符設備進(jìn)行注冊，初始化行線(xiàn)引腳為：輸出、非上拉，并將所有行輸出置為低電平；注冊該鍵盤(pán)設備。初始化列線(xiàn)所連接的中斷引腳為：輸入、下降沿觸發(fā)中斷，并建立中斷與中斷處理函數Key_interrupt()的連接。
當有按鍵按下后，由于所有的行為低電平，必然有一行和一列線(xiàn)導通，從而將相應的列線(xiàn)拉低，觸發(fā)中斷。然后，中斷處理函數Key_interrupt()記錄相應的中斷號碼，由于按鍵存在抖動(dòng)，單憑一次中斷的觸發(fā)就判定相應的按鍵按下很不可靠，所以在中斷觸發(fā)后開(kāi)啟定時(shí)器kb_timer對按鍵狀態(tài)再次進(jìn)行判定。 上層應用程序使用 S3C2440_Kb_open()打開(kāi)鍵盤(pán)設備，開(kāi)啟列線(xiàn)中斷，初始化定時(shí)器。當中斷觸發(fā)后，開(kāi)啟定時(shí)器，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到后，觸發(fā)定時(shí)器中斷 kb_timer_handler()。kb_timer_handler()首先會(huì )調用鍵盤(pán)掃描函數Scan_keyboard()掃描按鍵狀態(tài)，Scan_keyboard()流程如圖4所示。如果經(jīng)過(guò)3次鍵盤(pán)掃描，每次都掃描到相同的按鍵值被按下，則證明確實(shí)有按鍵被按下，Scan_keyboard()函數返回：KEYDOWN。如果按本次按鍵值與上一次按鍵值不同，則保存本次按鍵值到循環(huán)隊列，這樣可以不保存重復數據到緩沖隊列。如果連續10次掃描到按鍵的狀態(tài)都不為KEY_DOWN，則證明按鍵已經(jīng)彈起，關(guān)閉定時(shí)器kb_timer。
S3C2440_Kb_read()函數負責從循環(huán)隊列中讀取按鍵值反饋給上層應用程序。 2.2 Qt／Embedded的鍵盤(pán)映射 Qt／Embedded是 Trolltech公司針對采用嵌人式Linux的電子設備開(kāi)發(fā)的綜合應用平臺。Qt／Embedded包含完整的應用層、靈活的用戶(hù)界面、窗口操作系統、應用程序以及開(kāi)發(fā)框架。 Qt／Embedded本身提供了對按鍵的支持，它在文件qkeyboard_qws．cpp中提供了一個(gè) QWSKeyboardHandler類(lèi)來(lái)處理按鍵事件。本系統創(chuàng )建了QWSKeyboardHandler類(lèi)的一個(gè)子類(lèi) QWSKEYMATRIXHandler。在QWSKEYMATRIXHandler類(lèi)的構造函數中，通過(guò)open()函數打開(kāi)矩陣鍵盤(pán) key_matrix，通過(guò)對打開(kāi)的鍵盤(pán)設備創(chuàng )建一個(gè)QscoketNotifer來(lái)監控按鍵設備，通過(guò)信號與槽機制，建立該 QscoketNotifer與讀鍵盤(pán)函數ReadKeyboardData()的連接，當key_matrix被激活時(shí)，就會(huì )觸發(fā)讀鍵盤(pán)函數 ReadKeyboardData()。代碼如下： notifier=new QSocketNotifier(key_matrix，QSock-etNotifier：：Read，this)； connect(notifier，SIGNAL(activated(int))，this，SLOT(ReadKeyboardData()))； 在讀鍵盤(pán)函數ReadKeyboardData()中，調用矩陣鍵盤(pán)驅動(dòng)程序的讀函數Read()來(lái)獲取按鍵值。為了使得按鍵值能夠傳送給應用程序，要使用 QWSKeyboardHandler類(lèi)的成員函數processKeyEvent(int unicode，int keycode，int modifiers，bool isPress，bool autoRepeat)，各參數功能如下： ①Unicode：按鍵的 Unicode編碼，如數字1的unicode編碼為1，字母A的unicode編碼為A。如果該項為0，則為功能鍵Shift、Left、Right 等；如果該項為0xFFFF，則只傳送鍵值keycode，不打印編碼。 ②Keycode：Qt中使用的按鍵名稱(chēng)，如 Qt：：Key_Backspace、Qt：：Key_Enter等。 ③Modifiers：Qt所支持的鍵盤(pán)組合鍵。 ④isPress：判斷按鍵的狀態(tài)是“按下”還是“彈起”。 ⑤autoRepeat：判斷本次事件是有自動(dòng)重復機制產(chǎn)生，還是由一個(gè)現實(shí)中的按鍵產(chǎn)生。 通過(guò)processKeyEvent()函數可以發(fā)送數字、小寫(xiě)英文、大寫(xiě)英文，但是目前Qt／Embedded上沒(méi)有中文輸入法，不能輸入中文。 2.3 Murphpinyin拼音輸入法的移植 Murphypinyin是目前為止基于Qt／Embedded的一個(gè)比較好的開(kāi)源中文輸入法，而且Murphypinyin帶有軟鍵盤(pán)，用戶(hù)可以通過(guò)觸摸屏輸入中文、英文、數字和符號等。對于Murphypinyin到Qt／Embedded 的移植，網(wǎng)絡(luò )上有很多參考資料，這里不再作介紹。 但是將Murphypinyin應用到手持終端上目前還有一個(gè)問(wèn)題：Murphypinyin帶有的軟鍵盤(pán)是標準的PC101鍵盤(pán)，按鍵數量很多。在對體積、重量要求很苛刻的手持終端上，觸摸屏本身的尺寸受到嚴重的制約，PC101鍵盤(pán)會(huì )占據觸摸屏的大部分顯示面積；而且單個(gè)按鍵所占面積很小，從而對觸摸屏的定位精度要求很高。然而觸摸屏本身受周?chē)h(huán)境的影響較大，很容易造成定位不準。本系統將矩陣鍵盤(pán)映射到Murphypinyin上，通過(guò)矩陣鍵盤(pán)輸入中文、英文和數字，這樣在手持終端上可以使用普通的LCD，從而降低了系統成本、提高了系統的可靠性。 首先考慮的問(wèn)題是：如何用鍵盤(pán)打開(kāi)Murphypinyin輸入法?這里可以修改 Murphypinyin軟件包中的PinyinFrame.cpp文件中的： boot QPinyinFrame：：filter(int unicode，int keycode，int modifiers，bool isPress，bool autoRepeat) 其中：if(!isHidden()&& isPress)語(yǔ)句用來(lái)判斷Murphypinyin輸入法是否已經(jīng)打開(kāi)并且有按鍵按下。如果是，則判斷當前是中文模式、還是英文模式。中文模式則調用 GetKey(unicode，keycode)函數，根據輸入的拼音搜索漢字；英文模式則調用SendKey(unicode，keycode)函數發(fā)送大寫(xiě)或小寫(xiě)英文字母。如果unicode==9＆＆keycode==Qt：：Key_Tab，則進(jìn)行中英文切換。在這里可以添加判斷語(yǔ)句：if(keycode==Qt：：Key NumLock)。當NumLock按鍵按下時(shí)，調用：QPinyinFrame：：sizeHint()和QPinyinFrame：：show()兩個(gè)函數來(lái)開(kāi)啟Murphypinyin輸入法界面。如果再次按下NumLock按鍵，則調用QPinyinFrame：：hide()來(lái)隱藏輸入法界面。 用鍵盤(pán)打開(kāi)Murphypinyin輸入法之后，可以通過(guò)鍵盤(pán)發(fā)送拼音字母來(lái)輸入漢字。通過(guò)發(fā)送 unicode=9＆＆keycode==Qt：：Key_Tab來(lái)進(jìn)行中英文切換。 2.4按鍵復用 由于手持終端設備對自身的體積有嚴格的要求，為了縮小鍵盤(pán)的體積，本系統模仿手機鍵盤(pán)的布局，采用按鍵復用的方式來(lái)縮小鍵盤(pán)大小。將26個(gè)英文字母按字母表順序3個(gè)或4個(gè)一組依次排列在2～9這8個(gè)數字鍵上，并與阿拉伯數字進(jìn)行復用(見(jiàn)圖2)。 硬件上的簡(jiǎn)化必然導致軟件復雜度的增加。為了使得系統能夠在按下一個(gè)按鍵后自動(dòng)識別是數字、英文大寫(xiě)字母、英文小寫(xiě)還是拼音字母，需要修改Qt／Embedded中qkeyboard_qws．cpp的 QWSKEYMATRIXHandler：：ReadKeyboardData()函數。 當有按鍵按下后，首先需要判斷當前是處于何種模式：數字、拼音、小寫(xiě)英文還是大寫(xiě)英文模式，實(shí)現流程如圖5所示。通過(guò)NumLock按鍵和狀態(tài)標志字English-Mode來(lái)進(jìn)行數字狀態(tài)和其他幾個(gè)狀態(tài)的切換。通過(guò)Tab按鍵來(lái)進(jìn)行中、英文模式的切換，通過(guò)CapsLock按鍵來(lái)進(jìn)行英文大小寫(xiě)字母的切換。 為了使一個(gè)按鍵能夠輸入不同的字符，本系統使用不同的key_ID值來(lái)標識各個(gè)字符，這樣，每按一次鍵都是不同的。圖6是對于按鍵2的復用過(guò)程。根據不同的key_ID結合當前所處的輸入模式，發(fā)送相應的數字、小寫(xiě)英文或大寫(xiě)英文字符。
3 總結 本文介紹了基于 S3C2440的矩陣鍵盤(pán)的硬件設計方法和軟件的驅動(dòng)開(kāi)發(fā)方法，通過(guò)將Murphpinyin開(kāi)源軟件包與Qt／Embeded自帶輸入法的融合，使用按鍵復用的策略，采用較少的按鍵，構建了一款可輸入數字、中／英文的嵌入式鍵盤(pán)，并在S3C2440上實(shí)現。為手持終端提供了一種嵌入式鍵盤(pán)的解決方案。 作者:吳蓬勃 張金燕 卜新華 來(lái)源：單片機與嵌入式系統應用 2010年01期 |
