0 引 言

由于的可再編程性質，可以將同一裝置用于不同的鍵盤和產品，而收到高產量、低成本的效果，同時也節約了單片機的資源以做它用。可再編程的特點輔之簡便易用的設計工具，使設計可以進行晚期更改，提高了產品設計的靈活性，降低了風險。在單片機應用系統中，利用鍵盤接口輸入數據，是實現現場實時調試、數據調整和各種參數設置最常用的方法。單片機的外圍鍵盤擴展電路有多種實現方式，例如直接利用單片機的I／O接口，或者采用8255A接口芯片，就可以實現外圍鍵盤的擴展功能。但是，在這些方法中，鍵盤擴展電路需要占用單片機的資源對按鍵進行監控和處理，這對要求高實時性處理的單片機系統是不容易實現的。為了解決這一問題，可以使用專用鍵盤接口芯片來擴展鍵盤子系統。但是這類專用鍵盤接口芯片在使用靈活性方面尚有欠缺，尤其當用戶需要實現某些特定功能時，其缺點更為明顯。針對上述問題，在此提出一種基于Lattice公司LC4128V的4×4鍵盤接口芯片設計。采用的軟件開發環境是IspLEVER。

l 開發環境介紹

IspLEVER是Lattice公司最新推出的一套EDA軟件。設計輸入可采用原理圖、硬件描述語言、混合輸入3種方式，它能對所設計的數字電子系統進行功能仿真和時序仿真。編譯器是此軟件的核心，能進行邏輯優化，將邏輯映射到器件中去，自動完成布局與布線，并生成編程所需要的熔絲圖文件。軟件中的Constraints Editor工具允許經由一個圖形用戶接口選擇I／O設置和引腳分配。lspLEVER軟件提供給開發者一個簡單而有力的工具，用于設計所有Lattice可編程邏輯產品。

2 鍵盤控制器設計

2．1 基于LC4128V的4×4鍵盤控制器設計

圖1給出基于Lattice公司的可編程邏輯器件LC4128V的4×4鍵盤控制器(KEYPADCTL)設計。

根據鍵盤的掃描原理，鍵盤控制器的輸出引腳R1～R4(行掃描線)依次循環輸出低電平，并將相應的鍵盤行置低。當有按鍵按下時，相應的輸入c1～c4(列回復線)也被置低。然后根據行和列的低電平對應關系就可以通過編碼確定按下的鍵值。輸出K0～K3就是最終等待單片機讀取的鍵值。INT輸出單片機的中斷信號，通知單片機來讀取鍵值。CLK是控制器的時鐘信號，cLR是控制器的清零復位信號。

2．2 內部原理圖及其主要部分的工作原理

鍵盤控制器內部由鍵盤掃描電路、編碼器電路、鍵盤去抖動電路、分頻器電路、計數器電路和鍵值鎖存器組成，如圖2所示。
 

(1)鍵盤掃描電路是一個能自啟動到所需要狀態的狀態機，當系統上電并同時輸入一個有效的復位清零信號CLR后，掃描電路輸出端R1～R4(L1～L4)則依次按照設計要求循環輸出以下掃描電平1110，1101，1011，0111。L1～L4作為編碼器的輸入，通過與列回復線(C1～C4)的對應關系參與編碼。然而R1～R4是將L1～L4加上高電平使能三態門輸出的鍵盤行掃描線。將行掃描線加上三態門輸出，是為了防止當一列上的2個或更多按鍵被同時按下時，將使LC4128V的引腳高低電平短接，如果這種情況發生，不但影響鍵盤控制器的準確性，更嚴重的是會燒壞可編程邏輯器件LC4128V，所以該控制器通過三態門輸出行掃描線。三態門的使能信號就是其通過的信號取反，這樣輸出的高電平將為高阻狀態。通過對鍵盤的行線分別接個上拉電阻便可得到與L1～L4一樣的輸出信號。

通過這樣的處理既滿足設計的需要，又起到對器件保護的作用。EN是掃描電路的使能輸入端，高電平有效。它通過去抖動后的列回復線相與得到。當有按鍵按下時，相應的列線將被置低。相與的結果為低，這使掃描電路停止掃描，等待控制器對掃描結果進行處理，得到相應的鍵值送入鍵值鎖存器，等待單片機讀取。這樣做的好處是可防止控制器漏掉按鍵的讀取。根據調試得知，鍵盤掃描時鐘信號最好是去抖電路時鐘的四分頻以上。所以CLK是通過對去抖電路的時鐘進行分頻得到的。圖3給出實現掃描電路的具體原理圖。
 

(2)該設計中采用4×4的鍵盤，有16個按鍵狀態，再加上一個沒有鍵按下的狀態共有17個狀態，而4位二進制數只能表示16個狀態。為了解決這個問題，將R4和L4或非后再與計數器產生的中斷信號相或，產生一個單片機中斷。當按下最后一個鍵時，鍵盤控制器便產生1個中斷，讓單片機來讀取這個按鍵值0000(在沒有鍵按下時也是這個狀態)，從而區分了無按鍵狀態和最后一個按鍵按下的狀態。這樣在編碼的時候只需考慮前15個鍵的狀態信息。最終可用4位二進制數表示所有按鍵狀態。圖4給出實現編碼器的具體原理圖。