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" title="矩陣鍵盤">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" title="Windows CE.Net">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)" title="流驅(qū)動(dòng)">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
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)
?。?） 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。
?。?） 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)
?。?） 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。
?。?） 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 (dwEventWAIT_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
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,。