摘要 針對嵌入式系統(tǒng)日益小型化的要求，設(shè)計一種基于Windows CE.Net平臺的硬件簡單而實用的矩陣鍵盤。重點介紹該矩陣鍵盤流接口驅(qū)動程序的設(shè)計，并在驅(qū)動程序設(shè)計中運用一種全新的中斷與掃描相結(jié)合的矩陣鍵盤定位方法。

關(guān)鍵詞 ?Windows CE.Net? 矩陣鍵盤? 中斷? 流驅(qū)動

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、功能強大、功耗低等特點而備受青睞。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、功能專一等特點決定了它的鍵盤不大可能采用普通PC機上的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，因而大多數(shù)PDA采用鍵數(shù)相對較少的矩陣鍵盤。矩陣鍵盤設(shè)計也是多種多樣，有外接鍵盤管理芯片設(shè)計的，如采用CH452、UR5HCSPI等芯片；有外接普通單片機設(shè)計的，如采用8051、2051等單片機；也有不采用任何外圍芯片直接與CPU的I/O口相連設(shè)計的。本文介紹一種在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)計方案，以及相應(yīng)的流接口驅(qū)動程序設(shè)計方案。

1? Windows CE.Net介紹

　　Windows CE是Microsoft公司專門為信息設(shè)備、移動應(yīng)用、消費類電子產(chǎn)品、嵌入式應(yīng)用等非PC領(lǐng)域而全新設(shè)計的戰(zhàn)略性嵌入式操作系統(tǒng)。Windows CE的設(shè)計目標(biāo)是：模塊化以及可伸縮性、實時性能好、通信能力強、支持多種CPU[1]。

　　Windows CE.Net是Windows CE 3.0的后續(xù)產(chǎn)品，它不僅是一個功能強大的實時嵌入式操作系統(tǒng)，而且提供了眾多強大工具，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)動程序不能滿足用戶的要求時，需要用戶自己編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序。Windows CE.Net的開發(fā)工具Platform Builder就可以完成相應(yīng)的驅(qū)動程序開發(fā)。

2? 矩陣鍵盤硬件設(shè)計

　　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)計大多數(shù)采用20個左右的鍵值（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，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)動設(shè)計難度，提高整個系統(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I/O口，其中4個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相互影響，導(dǎo)致掃描按鍵不準(zhǔn)確，這時就需要在每個I/O口上接一個濾波電容到地，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)計相同。矩陣鍵盤硬件設(shè)計電路原理如圖1所示。

圖1? 矩陣鍵盤（4×5）電路原理

3? 矩陣鍵盤驅(qū)動設(shè)計

3.1? 矩陣鍵盤驅(qū)動開發(fā)策略

　　Windows CE.Net中的驅(qū)動可分為兩種模式：本機驅(qū)動模式和流驅(qū)動模式[2]。前者比較適合集成在本機上的設(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)動模式。

3.2? 矩陣鍵盤驅(qū)動加載過程

　　Windows CE.Net系統(tǒng)運行時會默認(rèn)啟動DEVICE.EXE進程。DEVICE.EXE就是負責(zé)加載所有流驅(qū)動的，進程對流驅(qū)動的加載通過注冊表列舉器（RegEnum.dll）來實現(xiàn)。鍵盤的資源信息由OEM適配層（OAL）記錄在注冊表中，RegEnum.dll是通過掃描注冊表項HKEYLOCALMACHINE\Drivers\BuiltIn\PWRBUTTON下的鍵值對矩陣鍵盤進行初始化的。注冊表中關(guān)于矩陣鍵盤驅(qū)動的注冊信息如下：

[HKEY_LOCAL_MACHINE\Drivers\BuiltIn\PWRBUTTON]
"Prefix"="PWR"http://設(shè)備文件名前綴
"Dll"="PwrButton.Dll"http://鍵盤驅(qū)動的動態(tài)連接庫名
"Order"=dword:2//鍵盤驅(qū)動加載順序
"Ioctl"=dword:4

3.3? 矩陣鍵盤驅(qū)動重要函數(shù)設(shè)計

　　流接口驅(qū)動程序的主要任務(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)的一個特殊文件來實現(xiàn)的，每個流接口的驅(qū)動程序都必須實現(xiàn)一組標(biāo)準(zhǔn)的接口函數(shù)。由于矩陣鍵盤驅(qū)動采用了流驅(qū)動模式設(shè)計，故矩陣鍵盤驅(qū)動使用標(biāo)準(zhǔn)的流驅(qū)動接口函數(shù)，也稱“矩陣鍵盤驅(qū)動的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)用層不能對其發(fā)布命令來操作它。因此一般流驅(qū)動接口函數(shù)中對設(shè)備進行操作的接口函數(shù)在矩陣鍵盤驅(qū)動中只是作了保留，并未有實質(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函數(shù)：

　?、??PWR_DllEntry。驅(qū)動程序的入口函數(shù)，當(dāng)Windows CE.NET加載或斷開DLL時調(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)動程序的初始化，首先完成矩陣鍵盤驅(qū)動涉及的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，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)動中斷處理設(shè)計

（1）? 矩陣鍵盤驅(qū)動實現(xiàn)原理概述
　　矩陣鍵盤驅(qū)動的主要作用就是實時監(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)送鍵盤消息實現(xiàn)鍵盤輸入功能。鍵盤驅(qū)動創(chuàng)建了中斷服務(wù)線程和4個鍵盤中斷事件，每行按鍵對應(yīng)一個鍵盤中斷事件。有鍵被按下時，中斷服務(wù)例程得到對應(yīng)的中斷標(biāo)識符并報告給系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度進程，同時產(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，該鍵對應(yīng)的行和列被連通，因此根據(jù)判斷各列對應(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流程如圖2所示。

圖2? 響應(yīng)鍵盤中斷輸入流程圖

　　實際上，矩陣鍵盤驅(qū)動的設(shè)計就是鍵盤中斷處理的設(shè)計。下面就對矩陣鍵盤驅(qū)動中的中斷處理設(shè)計作詳細的介紹。

（2） ?在OAL層加入中斷源
　　矩陣鍵盤采用4路I/O口中斷，每路中斷對應(yīng)1個中斷源。矩陣鍵盤驅(qū)動首先要在OAL層加入這些中斷源。以其中一路中斷為例：
　　#define SYSINTR_KEYONE(SYSINTR_FIRMWARE+0)

（3） ?中斷服務(wù)例程（ISR）設(shè)計
　　本鍵盤驅(qū)動將GPIO_6、GPIO_7、GPIO_16、GPIO_17四個I/O口作為中斷I/O口。有鍵被按下時將產(chǎn)生一個I/O中斷，內(nèi)核首先進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。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)動的ISR設(shè)計如下：
　　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}

　　其他三路中斷的ISR設(shè)計與此類似。

（4）??中斷服務(wù)線程（IST）設(shè)計
　　中斷服務(wù)例程以鍵盤中斷的邏輯中斷標(biāo)識符形式返回給系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度進程，中斷服務(wù)線程則在矩陣鍵盤驅(qū)動中負責(zé)具體中斷處理。因為中斷服務(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)動的IST設(shè)計如下：矩陣鍵盤驅(qū)動設(shè)計了4個中斷事件HANDLE hKEYEvents[4]，分別對應(yīng)矩陣鍵盤4行產(chǎn)生的中斷。在矩陣鍵盤驅(qū)動的IST中，調(diào)用CreateEvent函數(shù)創(chuàng)建4個事件對象，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)進入鍵盤事件的等待隊列中。當(dāng)有事件被捕獲后，根據(jù)不同的事件類型進入不同的鍵盤掃描處理程序（以其中一路中斷為例）：

　　switch (dwEvent?WAIT_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400 ms
　　　　　　Sleep(400);
　　　　else
　　　　　　Sleep(100)；//按鍵延時去抖
　　　　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)計方案簡單、高效、實用。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)計上。

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