如何設(shè)計(jì)嵌入式輸入設(shè)備？

嵌入式系統(tǒng)可以對(duì)各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速計(jì)算、分析、輸出，即完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理，但很多時(shí)候就需要用戶(hù)“告訴”系統(tǒng)如何執(zhí)行下一步動(dòng)作，這時(shí)，就需要使用輸入設(shè)備將用戶(hù)的“指示”或“依據(jù)”傳遞給嵌入式系統(tǒng)。

常見(jiàn)的人機(jī)交互輸入設(shè)備包括按鍵、觸摸屏、麥克風(fēng)及其他各類(lèi)用戶(hù)可控輸入的傳感器等。隨著科技的發(fā)展，不僅我們常見(jiàn)的交互輸入設(shè)備出現(xiàn)了新的形態(tài)，而且也出現(xiàn)了不少新的交互輸入方式。比如，現(xiàn)在手機(jī)中的電容按鍵及重力感應(yīng)傳感器、距離傳感器?，F(xiàn)在的交互設(shè)備不僅體現(xiàn)在硬件設(shè)備的復(fù)雜性上，而且在相關(guān)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性上也與以往有了較大的增加。比如，可用于語(yǔ)音輸入的麥克和可用于人臉識(shí)別的攝像頭，為了完成這些人機(jī)交互輸入，除了硬件輸入設(shè)備對(duì)信息采集外，還需要后臺(tái)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，以幫助系統(tǒng)“理解”用戶(hù)的“輸入信息”。

下面我們?cè)敿?xì)介紹最常用的輸入設(shè)備：鍵盤(pán)/按鍵。

圖 1 最常用的輸入設(shè)備鍵盤(pán)

鍵盤(pán)

鍵盤(pán)是嵌入式應(yīng)用的常用外部設(shè)備之一。鍵盤(pán)是由若干個(gè)按鍵組成的開(kāi)關(guān)矩陣，它是最簡(jiǎn)單的數(shù)字量輸入設(shè)備。對(duì)系統(tǒng)而言，鍵盤(pán)上不同的按鍵代表著不同的含義(一般來(lái)說(shuō)，按鍵的含義可通過(guò)軟件定義)。用戶(hù)通過(guò)按動(dòng)鍵盤(pán)的按鍵，輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互。

1、鍵盤(pán)的基本電路

鍵盤(pán)的基本電路是一個(gè)接觸開(kāi)關(guān)，通、斷兩種狀態(tài)分別表示邏輯“0”和“1”。如圖2所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，處理器檢測(cè)到相應(yīng)引腳為高電平，表示邏輯“1”;當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，處理器檢測(cè)到相應(yīng)引腳為低電平，表示邏輯“0”。

2、鍵盤(pán)的分類(lèi)

按鍵排布的方式，鍵盤(pán)可分為可分成獨(dú)立式按鍵鍵盤(pán)和矩陣式按鍵鍵盤(pán);按讀入鍵值的方式，可分為直讀方式和掃描方式;按編碼方式，可分成非編碼方式和硬件編碼方式;按微處理器響應(yīng)方式可分為中斷方式和查詢(xún)方式。以上各種方式組合可構(gòu)成不同硬件結(jié)構(gòu)和接口的鍵盤(pán)。以下介紹較為常用的兩種方式。

①獨(dú)立式

獨(dú)立式按鍵鍵盤(pán)是指將每個(gè)獨(dú)立按鍵按一對(duì)一的方式直接接到微處理器的I/O輸入端口，如圖2所示。讀鍵值時(shí)，處理器可以檢測(cè)相應(yīng)I/O輸入端口的狀態(tài)，判定輸入電平，確定輸入的邏輯值。按鍵之間在硬件和讀取方式上均相互獨(dú)立，所以習(xí)慣稱(chēng)這種按鍵為獨(dú)立式按鍵。這種方式在軟硬件上實(shí)現(xiàn)均比較簡(jiǎn)單，但每一個(gè)按鍵都占用一個(gè)I/O端口，占用的資源較多，一般在按鍵數(shù)量較少，微處理器I/O資源充足時(shí)采用。

圖 2 鍵盤(pán)模型及按鍵抖動(dòng)示意圖

②矩陣式

矩陣式鍵盤(pán)是用n條I/O線(xiàn)組成行輸入口，m條I/O線(xiàn)組成列輸出口，在行列線(xiàn)的每一個(gè)交點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)按鍵。如圖3(b)所示，為一個(gè)4行4列的矩陣鍵盤(pán)。矩陣式鍵盤(pán)讀取鍵值一般采用逐行掃描的方式，即輸出口按位輪換輸出低電平，再?gòu)妮斎肟谧x入信息，最后計(jì)算各次從輸入口讀取的信息，獲得鍵碼。例如，將row0~3配置為輸出模式，col0~3配置為輸入模式;現(xiàn)將row0輸出低電平，row1~3輸出高電平，讀取col0~3;如果此時(shí)第0行0列的按鍵有按下，則col0檢測(cè)到輸入為低電平，其他列為高電平。這種方式占用I/O線(xiàn)較少，在按鍵較多的應(yīng)用中采用較多。

設(shè)計(jì)鍵盤(pán)時(shí)，通常小于4個(gè)按鍵的應(yīng)用，可以使用獨(dú)立式接口。如果按鍵較多，為了減少微處理器的I/O端口的占用，可以使用矩陣式鍵盤(pán)。

圖3 獨(dú)立鍵盤(pán)與矩陣鍵盤(pán)

另外，如果使用處理器I/O直接與矩陣鍵盤(pán)接口相連，上述矩陣鍵盤(pán)的檢測(cè)方式需要處理器不斷對(duì)接口掃描檢測(cè)。對(duì)速度較快的處理器來(lái)說(shuō)，這種檢測(cè)方式是對(duì)處理器的極大浪費(fèi)。所以實(shí)際應(yīng)用中建議使用專(zhuān)門(mén)的矩陣鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)芯片或I/O擴(kuò)展芯片，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣鍵盤(pán)的檢測(cè)，比如ZLG7290、CAT9555等擴(kuò)展芯片。使用驅(qū)動(dòng)或I/O擴(kuò)展芯片，可以將處理器從簡(jiǎn)單但頻繁的鍵盤(pán)掃描動(dòng)作中解放出來(lái)。如圖4為ZLG7290實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤(pán)應(yīng)用的基本電路，該芯片支持2×8個(gè)I/O擴(kuò)展，采用I2C接口與處理器連接，并支持中斷輸出，最大可擴(kuò)展8×8的矩陣鍵盤(pán)，。

圖 4 ZLG7290矩陣鍵盤(pán)電路