第五章--键盘及其接口技术

第五章键盘及其接口技术本章要点1．按键的抖动干扰及其解决方法。2．独立式键盘的结构原理及其接口电路。3．矩阵式键盘的结构原理及其行扫描法。4．编码器及其编码键盘接口电路。本章主要内容引言5.1键盘输入电路5.2非编码独立式键盘5.3非编码矩阵式键盘5.4编码键盘本章小结思考题引言在计算机控制系统中，除了与生产过程进行信息传递的过程输入输出设备以外，还有与操作人员进行信息交换的常规输入设备和输出设备。键盘是一种最常用的输入设备,它是一组按键的集合，从功能上可分为数字键和功能键两种，作用是输入数据与命令，查询和控制系统的工作状态，实现简单的人机对话。键盘接口电路可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。编码键盘采用硬件编码电路来实现键的编码，每按下一个键，键盘便能自动产生按键代码。编码键盘主要有BCD码键盘、ASCII码键盘等类型。非编码键盘仅提供按键的通或断状态,按键代码的产生与识别由软件完成。引言编码键盘的特点是使用方便，键盘码产生速度快，占用CPU时间少，但对按键的检测与消除抖动干扰是靠硬件电路来完成的，因而硬件电路复杂、成本高。而非编码键盘硬件电路简单，成本低，但占用CPU的时间较长。5.1键盘输入电路主要知识点:5.1.1键盘的抖动干扰5.1.2抖动干扰的消除5.1.1键盘的抖动干扰由于机械触点的弹性振动，按键在按下时不会马上稳定地接通而在弹起时也不能一下子完全地断开，因而在按键闭合和断开的瞬间均会出现一连串的抖动，这称为按键的抖动干扰，其产生的波形如图5-1所示，当按键按下时会产生前沿抖动，当按键弹起时会产生后沿抖动。这是所有机械触点式按键在状态输出时的共性问题，抖动的时间长短取决于按键的机械特性与操作状态，一般为10~100ms，此为键处理设计时要考虑的一个重要参数。前沿抖动后沿抖动图6-2按键的抖动干扰闭合稳定释放稳定键按下键释放链接动画5.1.2抖动干扰的消除按键的抖动会造成按一次键产生的开关状态被CPU误读几次。为了使CPU能正确地读取按键状态，必须在按键闭合或断开时，消除产生的前沿或后沿抖动，去抖动的方法有硬件方法和软件方法两种。1．硬件方法硬件方法是设计一个滤波延时电路或单稳态电路等硬件电路来避开按键的抖动时间。图5-2是由R2和C组成的滤波延时消抖电路，设置在按键S与CPU数据线Di之间。按键S未按下时，电容两端电压为0，即与非门输入Vi为0，输出Vo为1。当S按下时，由于C两端电压不能突变，充电电压Vi在充电时间内未达到与非门的开启电压，门的输出Vo将不会改变，直到充电电压Vi大于门的开启电压时，与非门的输出Vo才变为0，图5-2滤波延时消抖电路2RV5+1R1V2V图5-3滤波延时消抖电路SiVoV(Di)(Di)链接动画这段充电延迟时间取决于R1、R2和C值的大小，电路设计时只要使之大于或等于100ms即可避开按键抖动的影响。同理，按键S断开时，即使出现抖动，由于C的放电延迟过程，也会消除按键抖动的影响图中，V1是未施加滤波电路含有前沿抖动、后沿抖动的波形，V2是施加滤波电路后消除抖动的波形。2．软件方法软件方法是指编制一段时间大于100ms的延时程序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖动消失后再检测该键状态，如果该键仍保持闭合状态电平，则确认为该键已稳定按下，否则无键按下，从而消除了抖动的影响。同理，在检测到按键释放后，也同样要延迟一段时间，以消除后沿抖动，然后转入对该按键的处理。5.2非编码独立式键盘主要知识点:5.2.1查询法接口电路5.2.2中断法接口电路5.2.1查询法接口电路现以3个按键为例，图5-3即为独立式键盘查询法接口电路。按键S0、S1、S2分别通过上拉电阻与CPU的数据线D0、D1、D2相连，当按键Si闭合时，数据线直接接地，因而CPU读入Di=0；当按键Si断开时，数据线通过上拉电阻接到正电源，因而CPU读入Di=1。该接口电路实现的功能为：查询检测是否有键按下，如有键闭合，则消除抖动，再判断键号，然后转入相应的键处理。其程序流程如图5-4所示。采用查询法时，必须保证CPU每隔一定时间主动地去扫描按键一次，该扫描时间间隔应小于两次按键的时间间隔，否则会有按键不响应的情形。显然这种方式占用CPU时间比较多。图5-3独立式键盘结构原理图5-4独立式键盘结构原理D0V5+D1D2S0S1S2图5-4独立式键盘查询法程序流程图开始有键闭合否?NY延时100ms消除键抖动有键闭合否?NYNYNYNYD0=0?D1=0?D2=0?S0键功能程序S2键S1键序程能功序程能功图5-5独立式键盘查询法程序流程图链接动画5.2.2中断法接口电路仍以3个按键为例，图5-5是一个炉温控制系统的功能键分配图，S0、S1、S2分别代表自动/手动切换、炉温参数显示和炉温参数打印功能。在上述查询法接口电路的基础上，再把按键S0、S1、S2的数据输出线经过与非门和反相器后与8255A的选通输入信号PC4相连，8255A的PC3发出中断请求信号经中断控制器8259A与CPU的中断请求引脚相连，这是一种典型的中断法键盘接口电路。图5-5独立式键盘中断法接口电路0S1S2SV5+图5-6独立式键盘中断法接口电路PA0PA1PC3PA2PC4PA3PA7RDPA5PA4PA6RDCPU80888255AINTRa8259ASTBaIR3INTRINTD7D0D7D0链接动画当CPU对8255A初始化（8255A的A口工作于方式1输入）后，CPU即执行主程序。当按下S0键即表示要进入自动控制状态，此时与之相连的I/O口线呈现为低电平的同时，与非门输出为高电平，经反相器变为低电平，使8255A端口A的选通输入信号PC4有效，则PA0～PA2引脚接收并存入3个按键的“0”或“1”状态，当恢复成高电平后，经TSIT时间，8255A的PC3发出INTRa中断请求信号，经中断控制器8259A向CPU申请中断，CPU响应中断后，即转到中断服务程序中。中断服务程序依次查询按键的通断状态，当查询到是自动/手动（即S0=0）时，则转到自动/手动控制子程序的入口地址，从而使系统进入自动控制状态。如果没有键按下，则相应的I/O口线均为高电平，也不会产生中断信号，CPU继续运行主程序。工作过程键盘中断服务子程序，与查询方式相似，在保护现场后，首先调用100mS延时子程序去除抖动，然后依次查键号，并转入键功能处理程序，最后恢复现场、中断返回。显然，查询顺序代表了按键的排队优先级。采用中断法时，CPU对按键而言是被动方式，在无键按下时不占用CPU时间，因而CPU有更多的时间执行其他程序。上述分析说明：独立式键盘接口电路简单灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，需要占用较多的I/O口线。比如64个按键，需要有64根线，不仅连线复杂，查询按键的时间也较长。故这种键盘电路只适合于按键数量比较少的小型控制系统或智能控制仪表中。5.3非编码矩阵式键盘主要知识点:5.3.1矩阵式键盘的结构组成5.3.2矩阵式键盘的程序设计5.3.1矩阵式键盘的结构组成矩阵式键盘又叫行列式键盘，是用I/O口线组成的行、列矩阵结构，在每根行线与列线的交叉处，二线不直接相通而是通过一个按键跨接接通。采用这种矩阵结构只需M根行输出线和N根列输入线，就可连接M×N个按键。通过键盘扫描程序的行输出与列输入就可确认按键的状态，再通过键盘处理程序便可识别键值。键盘与CPU的接口可采用并行端口8255A、锁存器或缓冲器一类。图5-6给出了一种8×8非编码矩阵式键盘的接口电路。行输出电路由行扫描锁存器74LS273、反相器与行线X0～X7连接组成，列输入电路由三态缓冲器74LS244与列线Y0～Y7以及上拉电阻组成。X、Y线的每一个交叉处跨接一个键，其键值分别是十进制数的01，02，……，64。该键盘的接口地址为PORT1。图5-6矩阵式键盘接口电路V5+4001162432485633091725414957086474LS244D1D2D3D4D5D6D70DD1D2D3D4D5D6D70DCLKPORT174LS13874LS273IOWIOR1G2GY7Y0YYYYYY124365XXXXXXXX12436507图5-7矩阵式键盘接口电路链接动画当键盘中无任何键按下时，所有的行线和列线被断开且相互独立，输入线Y0～Y7列都为高电平；当有任意一键按下时，则该键所在的行线与列线接通，因此，该列线的电平取决于该键所在的行线。基于此，产生了“行扫描法”与“线反转法”两种识别方法。行扫描法又称逐行零扫描查询法，即逐行输出行扫描信号“0”，使各行依次为低电平，然后分别读入列数据，检查此（低电平）行中是否有键按下。如果读得某列线为低电平，则表示此（低电平）行线与此列线的交叉处有键按下，再对该键进行译码计算出键值，然后转入该键的功能子程序入口地址；如果没有任何一根列线为低电平，则说明此(低电平)行没有键按下。接着进行下一行的“0”行扫描与列读入，直到8行全部查完为止，若无键按下则返回。有时为了快速判断键盘中是否有键按下，也可先将全部行线同时置为低电平，然后检测列线的电平状态，若所有列线均为高电平，则说明键盘中无键按下，立即返回；若要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被控下，然后再如上那样进行逐行扫描。5.3.2矩阵式键盘的程序设计在计算机控制系统中，键盘扫描只是CPU工作的一部分。因此在设计键盘扫描程序时，必须要保证键盘操作的实时性，又不能占有CPU太多的时间，还要充分考虑到抖动干扰的消除。一般可根据情况选用编程扫描、定时扫描或中断扫描中的一种方式。下面来考虑扫描程序的编写与准备。逐行输出行扫描信号“0”，即是CPU依次使行线X0～X7为低电平，其输出数据代码分别为01H（X0线）、02H（X1线）、04H（X2线）、08H（X3线）、10H（X4线）、20H（X5线）、40H（X6线）、80H（X7线）。为消除按键的抖动干扰，程序中需调用延时100ms的子程序,以便认定确有键按下再识别其键值。求十进制键值的方法是分别设一个行值寄存器CL和列值寄存器DL。接口电路中跨接在行列线上的64个键，由于同一列相邻行之间相隔数8，所以每进行一次“0”行扫描后，如果此行无键按下，则行寄存器CL应加08再进行下一行的“0”行扫描；若有键按下则不加08而转求列值，由于列值比键值小1，如第一行第一列的键按下时列值Y0(即数据位D0)＝0比01键值小1，所以列值寄存器DL应先加1，然后将读入的列值循环右移，判断进位位CF是否等零即有否键按下，若无键按下，再继续加1、右移、判断，重复上述过程直到有键按下。最后把行值和列值相加并进行DAA修正，即可得到所求的十进制键值。(计算过程中所有数为压缩型BCD码)(0,8,16,24,32,40,48,56)(1,2,3,4,5,6,7,8)例如跨接在X2行与Y1列的18键按下，其键值计算方法如下：第一次“0”行扫描X0行，无键按下，CL=00+08=08，接下来扫X1行，仍无键按下，加08并进行DAA修正，CL=08+08=16，再扫X2行，此时读入的列值不等于FFH即表明有键按下，则CL=16不变。然后转求列值，列值寄存器先加1再把读入的列值循环移位，由于按下的键在Y1列，所以需移位两次才能移出0值，因此DL=02，然后将行值寄存器与列值寄存器之值相加，并进行DAA修正，得到AL=CL+DL=16+02=18，即键值为18。该键盘扫描及键处理程序流程图如图5-7所示，其程序如下：图5-7矩阵式键盘扫描及键处理程序流程图矩阵式键盘扫描及键处理程序流程图5-8图有键按下否?NY有键按下吗?YN键值寄存器清0输出所有行为低电平输出所有行为低电平延时100ms输出某行为低电平此行有键按下？行键值加08求出下一行为低电平各行扫描完？返回YN列键值加1列值右移1位进位位为0吗？计算键值Y键值送缓冲单元转功能键入口地址NYN链接动画程序设计MOVAL，0MOVCL，AL