引言

　　隨著現代科技日新月異的發展，作為新興產業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PDA采用鍵數相對較少的矩陣鍵盤。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操作系統下，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、消費類電子產品、嵌入式應用等非PC領域而全新設計的戰略性嵌入式操作系統。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的后續產品，它不僅是一個功能強大的實時嵌入式操作系統，而且提供了眾多強大工具，允許用戶利用它快速開發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功能和開發工具，Windows CE.Net提供了構建、調試和部署基于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動程序。Windows CE.Net的開發工具Platform Builder就可以完成相應的驅動程序開發。

　　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，鍵盤設計大多數采用20個左右的鍵值（0—9數字鍵、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，降低硬件和驅動設計難度，提高整個系統的穩定性，并在一定程度上降低設備的生產成本。采用矩陣式鍵盤設計還可以最大限度地節省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  矩陣鍵盤驅動設計

　　3.1  矩陣鍵盤驅動開發策略

　　Windows CE.Net中的驅動可分為兩種模式：本機驅動模式和流驅動模式[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動模式。

　　3.2  矩陣鍵盤驅動加載過程

　　Windows CE.Net系統運行時會默認啟動DEVICE.EXE進程。DEVICE.EXE就是負責加載所有流驅動的，進程對流驅動的加載通過注冊表列舉器（RegEnum.dll）來實現。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。注冊表中關于矩陣鍵盤驅動的注冊信息如下：
　　[HKEY_LOCAL_MACHINE/Drivers/BuiltIn/PWRBUTTON]
　　PRefix=PWR//設備文件名前綴
　　Dll=PwrButton.Dll//鍵盤驅動的動態連接庫名
　　Order=dWord:2//鍵盤驅動加載順序
　　Ioctl=dword:4

　　3.3  矩陣鍵盤驅動重要函數設計

　　流接口驅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的一個特殊文件來實現的，每個流接口的驅動程序都必須實現一組標準的接口函數。由于矩陣鍵盤驅動采用了流驅動模式設計，故矩陣鍵盤驅動使用標準的流驅動接口函數，也稱“矩陣鍵盤驅動的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別，應用層不能對其發布命令來操作它。因此一般流驅動接口函數中對設備進行操作的接口函數在矩陣鍵盤驅動中只是作了保留，并未有實質性的功能。接口函數中比較重要的是PWR_Init和PWR_DllEntry。下面簡單介紹這兩個函數：

　　①  PWR_DllEntry。驅動程序的入口函數，當Windows CE.NET加載或斷開DLL時調用，其中dwReason指明了調用的原因。
　　②  PWR_Init。接口函數PWR_Init完成矩陣鍵盤流驅動程序的初始化，首先完成矩陣鍵盤驅動涉及的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先級，最后創建中斷服務線程和初始化I/O口。

　　3.4  矩陣鍵盤驅動中斷處理設計

　　（1） 矩陣鍵盤驅動實現原理概述

　　矩陣鍵盤驅動的主要作用就是實時監測外部按鍵中斷，一旦發現外部有鍵按下就向內核發送鍵盤消息實現鍵盤輸入功能。鍵盤驅動創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任務調度進程，同時產生鍵盤中斷事件，鍵盤中斷服務線程響應鍵盤中斷事件，開始掃描矩陣鍵盤。根據產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，通過向操作系統發送鍵盤消息KEYBD_EVENT,實現一次鍵盤輸入。循環掃描鍵盤，直到按鍵被彈起則發送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，矩陣鍵盤驅動的設計就是鍵盤中斷處理的設計。下面就對矩陣鍵盤驅動中的中斷處理設計作詳細的介紹。

　　（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1個中斷源。矩陣鍵盤驅動首先要在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）  中斷服務例程（ISR）設計

　　本鍵盤驅動將GPIO_6、GPIO_7、GPIO_16、GPIO_17四個I/O口作為中斷I/O口。有鍵被按下時將產生一個I/O中斷，內核首先進入異常中斷處理程序，由它屏蔽所有中斷，再調用中斷服務例程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。矩陣鍵盤驅動的ISR設計如下：

　　if(v_pGPIOReg﹥GEDR_x & GPIO_6) {//中斷觸發
　　　　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任務調度進程，中斷服務線程則在矩陣鍵盤驅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中斷處理工作，功能主要包括響應中斷、掃描按鍵位置、發送鍵盤消息等。
矩陣鍵盤驅動的IST設計如下：矩陣鍵盤驅動設計了4個中斷事件HANDLE hKEYEvents[4]，分別對應矩陣鍵盤4行產生的中斷。在矩陣鍵盤驅動的IST中，調用CreateEvent函數創建4個事件對象，接著調用系統函數InterruptInitialize完成中斷和事件的關聯并使能中斷。完成這些初始化工作后，就可以調用WaitForMultipleObjects (hKEYEvents)函數進入鍵盤事件的等待隊列中。當有事件被捕獲后，根據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);//發鍵盤消息
　　　　　　num++;//連發計數
　　　　}
　　　　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，調用InterruptDone函數恢復中斷，使其能響應下一次同樣的中斷。

　　編者注：驅動程序源碼見本刊網站www.mesnet.com.cn。

　　結語

　　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，現已成功應用于某衛星定位系統的鍵盤設計上。