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備的應用越來越廣,。這些嵌入式設備中的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機上的標準鍵盤，因而大多數(shù)PDA采用鍵數(shù)相對較少的矩陣鍵盤" title="矩陣鍵盤">矩陣鍵盤,。矩陣鍵盤設計也是多種多樣,，有外接鍵盤管理芯片設計的，如采用CH452,、 UR5HCSPI等芯片,；有外接普通單片機設計的，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口相連設計的。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計方案,，以及相應的流接口驅(qū)動程序設計方案。
1 Windows CE.Net介紹
Windows CE是Microsoft公司專門為信息設備,、移動應用,、消費類電子產(chǎn)品、嵌入式應用等非PC領(lǐng)域而全新設計的戰(zhàn)略性嵌入式操作系統(tǒng),。Windows CE的設計目標是：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的定制設備所需的一切特性。
Windows CE.Net的最大好處是具有可定制性,。當它自帶的驅(qū)動程序不能滿足用戶的要求時,，需要用戶自己編寫相應的驅(qū)動程序。Windows CE.Net的開發(fā)工具Platform Builder就可以完成相應的驅(qū)動程序開發(fā),。
2 矩陣鍵盤硬件設計
嵌入式設備上的鍵盤作為一種輸入工具,，有著極其重要的作用；然而受設備本身體積影響,，鍵盤設計大多數(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,，具體視應用而定）,。這里采用4×5的矩陣鍵盤設計，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備的生產(chǎn)成本。采用矩陣式鍵盤設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,，導致掃描按鍵不準確，這時就需要在每個I/O口上接一個濾波電容到地,，減少串擾,。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,，矩陣鍵盤硬件設計相同。矩陣鍵盤硬件設計電路原理如圖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" title="流驅(qū)動">流驅(qū)動模式[2],。前者比較適合集成在本機上的設備，后者則通常用在用戶添加的外圍設備上,。本文討論的矩陣鍵盤作為一種外圍設備適合采用流驅(qū)動模式,。
3.2 矩陣鍵盤驅(qū)動加載過程
Windows CE.Net系統(tǒng)運行時會默認啟動DEVICE.EXE進程。DEVICE.EXE就是負責加載所有流驅(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 HKEYLOCALMACHINEDriversBuiltInPWRBUTTON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_MACHINEDriversBuiltInPWRBUTTON]
"Prefix"="PWR"//設備文件名前綴
"Dll"="PwrButton.Dll"//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)設計
流接口驅(qū)動程序的主要任務就是把外設的使用傳遞給應用程序。這是通過把設備表示為文件系統(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)一組標準的接口函數(shù),。由于矩陣鍵盤驅(qū)動采用了流驅(qū)動模式設計,，故矩陣鍵盤驅(qū)動使用標準的流驅(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備與其他外圍設備有很大的區(qū)別，應用層不能對其發(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)：
① PWR_DllEntry,。驅(qū)動程序的入口函數(shù)，當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,。接下來設置中斷服務線程優(yōu)先級，最后創(chuàng)建中斷服務線程和初始化I/O口,。
3.4 矩陣鍵盤驅(qū)動中斷處理設計
?。?） 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)建了中斷服務線程和4個鍵盤中斷事件,，每行按鍵對應一個鍵盤中斷事件。有鍵被按下時,，中斷服務例程得到對應的中斷標識符并報告給系統(tǒng)任務調(diào)度進程,，同時產(chǎn)生鍵盤中斷事件，鍵盤中斷服務線程響應鍵盤中斷事件,，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,，該鍵對應的行和列被連通，因此根據(jù)判斷各列對應的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。響應鍵盤中斷輸入的整個流程如圖2所示。
圖2 響應鍵盤中斷輸入流程圖
實際上,，矩陣鍵盤驅(qū)動的設計就是鍵盤中斷處理的設計,。下面就對矩陣鍵盤驅(qū)動中的中斷處理設計作詳細的介紹。
?。?） 在OAL層加入中斷源
矩陣鍵盤采用4路I/O口中斷,，每路中斷對應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)
?。?） 中斷服務例程（ISR）設計
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)用中斷服務例程ISR得到該中斷的邏輯中斷標識,。鑒于ISR的任務比較單一,，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;//返回中斷標識}
其他三路中斷的ISR設計與此類似,。
（4） 中斷服務線程（IST）設計
中斷服務例程以鍵盤中斷的邏輯中斷標識符形式返回給系統(tǒng)任務調(diào)度進程,，中斷服務線程則在矩陣鍵盤驅(qū)動中負責具體中斷處理,。因為中斷服務例程較小，并且只做很少的處理工作,，中斷服務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設計如下：矩陣鍵盤驅(qū)動設計了4個中斷事件HANDLE hKEYEvents[4]，分別對應矩陣鍵盤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 (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I/O口的初始電平，調(diào)用InterruptDone函數(shù)恢復中斷,，使其能響應下一次同樣的中斷,。
結(jié)語
隨著嵌入式設備應用的日益廣泛，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)已成功應用于某衛(wèi)星定位系統(tǒng)的鍵盤設計上,。