在單片機應用系統(tǒng)中,，存在多種形式的外部數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),，是實現(xiàn)現(xiàn)場實時調試、數(shù)據(jù)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(xiàn)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?shù)慕涌诠芾沓绦?，就可以實現(xiàn)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(jiān)控和處理,，這對要求高實時性處理的單片機系統(tǒng)是不現(xiàn)實的。

    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(tǒng),。然而,，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(xiàn)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(xiàn)專用鍵盤接口芯片的方案,。

1 系統(tǒng)原理

    圖1是單片機系統(tǒng)中鍵盤子系統(tǒng)的構成原理框圖。其中鍵盤接口芯片KB-CORE是該子系統(tǒng)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,。如果有按鍵按下,，實現(xiàn)按鍵編碼、中斷處理等功能,。第二,，可以區(qū)分處理數(shù)字鍵和功能鍵。數(shù)字鍵將由接口芯片暫存,，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(yōu)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(shù)據(jù)或功能代碼,。第四,，提供數(shù)據(jù)顯示接口，可以直接驅動4位七段LED數(shù)碼管,，并進行動態(tài)掃描顯示,。
按鍵根據(jù)鍵盤子系統(tǒng)的服務對象擬設置了數(shù)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(jù)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。其工作原理如下：(1)鍵盤掃描控制及編碼電路中內含一個環(huán)形計數(shù)器,。該計數(shù)器計數(shù)輸出至KSL [0~3]端作為鍵盤掃描信號,。每當掃描信號發(fā)生變化時,，鍵盤掃描控制器從KRL[0~3]端讀入某一行按鍵的狀態(tài)信號。如果沒有按鍵被按下,，則掃描下一行,；如果有按鍵被按下，則控制器鎖定被掃描行,，并延遲約10ms去抖動,，然后再次掃描被鎖定行以確定按鍵是否誤讀。如果按鍵被證實按下,，則一直等待直至用戶松開該鍵,。與此同時，數(shù)字鍵碼將被保存到先進先出存儲器,，功能鍵則直接產生中斷請求信號IRQ,，通知CPU讀取鍵碼DBO[0~7]。(2)FIFO RAM中數(shù)據(jù)容量為16位,。每4位對應一個字形符,，所以七段LED數(shù)碼管需要4位。(3)掃描發(fā)生器一方面產生LED的位選信號DSL[0~3],，另一方面產生掃描顯示輸出控制電路的位數(shù)據(jù)選通信號,。掃描顯示輸出控制電路根據(jù)位數(shù)據(jù)選通信號讀取FIFO RAM中相對應的數(shù)據(jù)，然后送七段譯碼電路輸出DP[0~6]驅動LED顯示屏的段選信號電極,。(4)接口控制電路一方面用來識別CPU的讀時序,；另一方面用來對地址信號線A1A0譯碼，實現(xiàn)對輸出數(shù)據(jù)的選擇,。若A0A1="00",，則輸出FIFO RAM中的低字節(jié)數(shù)據(jù)；若A0A1="01",，則輸出FIFO RAM中的高字節(jié)數(shù)據(jù),；若A0A1="10"，則輸出控制數(shù)據(jù)(表明ROW,、COL,、DAT中哪一個被按下)；若A0A1="11",，則不輸出FIFO RAM中的任何數(shù)據(jù),。
 

3 專用鍵盤接口芯片核心部分的狀態(tài)描述與實現(xiàn)

   為了實現(xiàn)上述專用鍵盤接口芯片功能結構，利用可編程邏輯技術對各個功能塊進行邏輯時序描述和實現(xiàn),。由于鍵盤掃描控制和去抖的邏輯時序設計較復雜并具典型性,，因此下面將對鍵盤掃描控制和去抖部分的設計思想進行介紹。
 

   鍵盤掃描時序的基本原理[4]可以用圖3所示的狀態(tài)圖表示,。狀態(tài)圖的輸入變量為RST(復位),、KEY-PRESS(有按鍵),、TIMER-OVER(去抖動延時結束)；輸出變量包括EN-SCAN(掃描行轉移),、EN-CODED(鍵盤編碼啟動),、START-TIMER(開啟去抖動延時)。從圖3中知道,，狀態(tài)S０→S1→S2為按鍵掃描狀態(tài)鏈,，狀態(tài)S3→S4→S5為去抖延時狀態(tài)鏈，狀態(tài)S6為按鍵保持期,。當按鍵被按下時,，進入啟動(S3)去抖延時狀態(tài)鏈；去抖延時結束后(S5),，若按鍵沒有按下則恢復掃描狀態(tài)鏈(S0),；若按鍵確認被按下則進入保持期(S6)，并輸出按鍵編碼維持至按鍵松開,。

    根據(jù)狀態(tài)圖3和上述的狀態(tài)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(huán)移位寄存器,，由時鐘CLK觸發(fā)實現(xiàn)狀態(tài)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(tài)S0~S6,，當然它們并非一一對應,，但實現(xiàn)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(jīng)過一個分頻器，使其輸出的信號周期約為Tclk=1μs×212≈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(tài)沒有被使用,，則可以實現(xiàn)約8ms的去抖動延時,。通過這樣的設計，可以免除延時計數(shù)器,，簡化電路,。
 

4 專用鍵盤接口芯片的實現(xiàn)

   根據(jù)實時數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)的設計要求,，使用了34個自定義I/O引腳和PC44封裝的CPLD來實現(xiàn)專用鍵盤接口芯片KB-CORE,。芯片型號的選擇依據(jù)綜合所需要的宏單元(Macrocells)個數(shù)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(wěn)定。