使用CPLD實現QWERTY鍵盤

隨著手機及其他便攜手持裝置的功能不斷增加，設計的取舍平衡亦日趨精細。文本信息與網絡瀏覽等流行功能都要求更多的數據輸入，而這對于傳統的雙音多頻 (DTMF) (0-9, #, *) 鍵盤會比較困難。使用這種鍵盤要求多端數據輸入，輸入效率低而且容易出錯。



圖 1 – QWERTY 鍵盤（摩托羅拉 A630）

使文本輸入更為方便的一個方法是使用 QWERTY 鍵盤（見圖 1）。這種鍵盤采用 40 個或更多按鍵，而 DTMF 手機通常采用 12 個。當然，多出的按鍵會使手機體積變大，用到的電子組件也更多。

然而，文本信息用戶可能樂意以體積換取 QWERTY 鍵盤，因為文本輸入大為簡便了，而且兩個大拇指都可以用來輸入文本信息或數據。最近，有些手機生產商已經推出了面向文本用戶的帶 QWERTY 鍵盤的手機。

數據輸入鍵盤可以用多種方法來設計，并無一定之規(guī)。為傳統 DTMF 鍵盤添加更多按鍵對設計人員提出了挑戰(zhàn)，本文即討論應對這挑戰(zhàn)的一種可能解決方案。

QWERTY 構建模塊

我們的解決方案使用 Xilinx® CoolRunner™-II CPLD target=_blank>CPLD；低功耗、小包裝及低成本的特點使其成為此應用的理想選擇。
將 DTMF 轉化為 QWERTY 鍵盤需要更多按鍵，從而需要更多通用 I/O (GPIO target=_blank>GPIO)。例如，DTMF 鍵盤可能只有四行三列，而 QWERTY 鍵盤可能有多至八行八列。不過，鍵盤的大小可根據終端系統的需求而定。

通常，將處理器或 DSP 用作連接鍵盤行和列的界面（見圖 2）。處理器對行進行掃描，對列進行監(jiān)控，以檢測邏輯變化。當變化發(fā)生，即表示用戶按下了一個按鍵。知道被掃描的是哪一行，以及哪一列的狀態(tài)發(fā)生了變化，處理器即可推斷出按下的是哪個按鍵。

擴展 I/O

設計需要更多 I/O 的鍵盤時（QWERTY 鍵盤即為一例），可能會發(fā)現現有處理器沒有足夠的 GPIO。一種可能的解決方法是，把一個 CPLD 用作 I/O 擴展器，從而減少對處理器 I/O 數量的要求。

圖 3 在處理器與鍵盤之間使用了一個 CPLD，其一側連接鍵盤的行/列，另一側連接處理器的可用 GPIO。此例中，使用一個 CPLD 后，一個 8 x 8 的鍵盤所需要的處理器 GPIO 端口的數目與 4 x 4 的鍵盤相同（實際上還少一個）。如果不使用 CPLD，處理器會需要 16 個 GPIO 端口，而不是 7 個。

掃描與編碼

除了減少處理器對 GPIO 的數量要求外，CPLD 還可以承擔處理器的某些功能，如：對行進行掃描并對列進行監(jiān)控以檢測狀態(tài)變化。當用戶按鍵時，CPLD 會停止掃描，并立即生成一個編碼字，然后發(fā)送給處理器，告訴處理器哪個鍵按下了。因為使用了編碼字來告知處理器按下了哪個按鍵，對處理器的 I/O 需求得以減輕。



圖 3 – 使用 CoolRunner-II CPLD 擴展 GPIO

在圖 3 所示例子中，用 6 個位來代表編碼字。6 個位提供 26（即 64）個不同的值，每個值代表一個按鍵。然而，還必須有一個值代表無按鍵被按時的狀態(tài)。因此，在此例中，在不添加又一個 GPIO 的情況下，實際上只有 63 個按鍵可被代表。
處理器無需掃描鍵盤，因為這一操作現由 CPLD 執(zhí)行；不過，處理器仍需監(jiān)控其 GPIO 上的變化 – 它只是不再需要推斷哪個按鍵被按，因為該信息編碼到一個六位字中了。

還需要用到的是開關抖動，這可以安排在 CPLD 中或處理器中，取決于哪個裝置有可用資源。在處理器中進行這一操作，可將 CPLD 的大小和成本降到最小。

簡要總結此設計示例：CPLD 對鍵盤進行掃描，檢測被按下的按鍵，然后提供一個編碼字供處理器讀取并解析。這一功能不僅使處理器不必再承擔掃描任務，還擴展了 GPIO 的功能。

此設計非常適合于 CoolRunner-II 32 宏單元裝置（利用率大約為 75%），留下 25% 空間作他用。此外，此設計還采用了其他一些方法來減少功耗并利用 CoolRunner-II 的節(jié)能功能。

CPLD 設計詳述

要掃描鍵盤的行，桶式移位寄存器除一位預置為零外，其他所有位均預置為 1。移位寄存器的每一位驅動 CPLD 上的一個輸出引腳，后者與鍵盤的行相連。當移位寄存器開始計時時，零位通過桶式移位器移位，將行逐行置低，以對其進行掃描。鍵盤的列輸入到 CPLD，每個輸入都通過一個內部上拉電阻上拉。

當沒有按鍵被按時，CPLD 的所有列輸入都被動上拉至邏輯高位。對所有的列輸入一起進行“與”操作，這時輸出端的邏輯 1 表示沒有按鍵被按。

“與”操作的輸出用于啟動移位寄存器。當按鍵被按下時，列與行取得連接，按下的鍵所在的列被與該按鍵相關的行置低。“與”操作的輸出將變?yōu)榱悖瑥亩诎存I被按下時中止移位寄存器。

此時，移位寄存器將按下的鍵所在的行置低，而該鍵所在的列亦處于低位。為了使這些信息相關聯，使用了兩個編碼器：一個用于行位（移位寄存器的輸出），另一 個用于列輸入。兩個編碼器的輸出組合起來，就構成發(fā)送給處理器的編碼字。圖 4 為這一操作的模塊圖。

結束語

使用 Xilinx CoolRunner-II CPLD，獲得的是靈動的設計與低功耗。除了 I/O 擴展之外，CPLD 還可以加入其他“粘合”功能，如：電壓轉換、I/O 標準轉換與輸入滯后。

由于 CPLD 為可編程，您可以將同一裝置用于不同的鍵盤和產品，而收高產量低成本之效。可再編程的特點輔之以簡便易用的設計工具，使您可以對設計進行晚期更改，降低風險。

要了解此應用的詳情，請參閱 Xilinx 應用說明，“使用 CoolRunner-II 實現鍵盤掃描器”，網址為 www.xilinx.com/bvdocs/appnotes/xapp512.pdf。有關 Xilinx CPLD 的詳情，請訪問 www.xilinx.com/cn/cpld/。

作者：Mike Gulotta Xilinx FAE Xilinx, Inc. mike.gulotta@xilinx.com