在單片機應用系統中，存在多種形式的外部數據輸入接口界面，例如RS-232C串行通信、鍵盤輸入等。其中利用鍵盤接口輸入數據，是實現現象實時調試、數據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，配合適當的接口管理程序，就可以實現外圍鍵盤擴展功能。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控和處理，這對要求高實時性處理的單片機系統是不實現的。為了解決這一問題，可以使用專用鍵盤接口芯片（例如Intel8279）來組建鍵盤子系統。而且，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）設計技術實現專用鍵盤接口芯片的方案。

1、系統原理

圖1是單片機系統中鍵盤子系統的構成原理框圖。其中鍵盤接口芯片KB-CORE是該子系統的核心部分，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。如果直按鍵按下，實現按鍵編碼、中斷處理等功能。第二，可以區分處理數字鍵和功能鍵。數字鍵鈄由接口芯片暫存，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據或功能代碼。第四，提供數據顯示接口，可以直接驅動4位七段LED數碼管，并進行動態掃描顯示。

按鍵根據鍵盤子系統的服務對象擬設置子數字鍵（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形計數器。該計數器計數輸出至KSL［0～3］端作為鍵盤掃描信號。每當掃描信號發生變化時，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）FIFORAM中數據容量為16位。每4位對應一個字形符，所以七段LED數碼管需要4位。（3）掃描發生器一方面產生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據選通信號。掃描顯示輸出控制電路根據位數據選通信號讀取FIFO RAM中相對應的數據，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，實現對輸出數據的選擇。若A0A1=“00”，則輸出FIFO RAM中的低字節數據；若A0A1=“01”，則輸出FIFO RAM中的高字節數據；若A0A1=“10”，則輸出控制數據（表明ROW、COL、DAT中哪一個被按下）；若A0A1=“11”，則不輸出FIFO RAM中的任何數據。

3、專用鍵盤接口芯片核心部分的狀態描述與實現

為了實現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的序描述和實現。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可能用圖3所示的狀態圖表示。狀態圖的輸入變量為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S0→S1→S2為按鍵掃描狀態鍵，狀態S3→S4→S5為去抖延時狀態鏈，狀態S6為按鍵保持期。當按鍵被按下時，進入啟動（S3）去抖延時狀態鏈；去抖延時結束后（S5），若按鍵沒有按下則恢復掃描狀態鍵（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。

根據狀態圖3和上述的狀態轉移描述，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位循環移位寄存器，由時鐘CLK觸發實時狀態移位。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S0～S6，當然它們并非一一對應，但實現的功能相同。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過一個分頻器，使其輸出的信號周期約為Tclk=1μs×2 12≈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態沒有被使用，則可以實現約8ms的去抖動延時。通過這樣的設計，可以免除延時計數器，簡化電路。

4、 專用鍵盤接口芯片的實現

根據實時數據校正系統的設計要求，使用了34上自定義I/O引腳和PC44封裝的CPLD來實現專用鍵盤接口芯片KB-CORE。芯片型號的選擇依據綜合所需要的宏單元（Macrocells）個數決定。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定。

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