摘要：对用于单片机的键盘子系统的专用键盘接口芯片进行功能分析，就芯片中核心部件的时序设计进行状态描述，并利用可编程逻辑技术和原理输入方式对键盘接口芯片的内部结构加以实现。

关键词：键盘子系统 专用键盘接口 CPLD 状态描述

在单片机应用系统中，存在多种形式的外部数据输入接口界面，例如RS-232C串行通信、键盘输入等[1,4]。其中利用键盘接口输入数据，是实现现象实时调试、数据调整和控制最常用的方法。单片机的外围键盘扩展电路有多种实现方式，例如直接利用I/O接口线或外接8255A接口芯片，配合适当的接口管理程序，就可以实现外围键盘扩展功能。但是，在这些方法中，键盘扩展电路需要占用单片机的资源对按键进行监控和处理，这对要求高实时性处理的单片机系统是不实现的。为了解决这一问题，可以使用专用键盘接口芯片（例如Intel8279）[2]来组建键盘子系统。而且，这类专用键盘接口芯片在使用灵活性方面尚有欠缺，尤其当用户需要实现某些特定功能时，其缺点更为明显。针对上述问题，本文提出一种利用复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）设计技术[3]实现专用键盘接口芯片的方案。

1 系统原理

图1是单片机系统中键盘子系统的构成原理框图。其中键盘接口芯片KB-CORE是该子系统的核心部分，它应具备如下功能：第一，产生按键扫描时序，并进行硬件去抖动。如果直按键按下，实现按键编码、中断处理等功能。第二，可以区分处理数字键和功能键。数字键钭由接口芯片暂存，而当功能键被按下时申请CPU中断处理；对多个按键同时按下，按一定的编码优先级处理。第三，提供与MCS-51系列单片机兼容的接口，单片机可以读取芯片中保存的数据或功能代码。第四，提供数据显示接口，可以直接驱动4位七段LED数码管，并进行动态扫描显示。

按键根据键盘子系统的服务对象拟设置子数字键(0～9)、功能键（ROW、COL、DAT）、清零键（CLR）共14个，排成4×4的矩阵，有两个未定义。

2 专用键盘接口芯片功能结构设计

根据上述专用键盘芯片KB-CORE的功能要求，图2示出本芯片内部应有的结构框图。

图1是单片机系统中键盘子系统的构成原理框图。其中键盘接口芯片KB-CORE是该子系统的核心部分，它应具备如下功能：第一，产生按键扫描时序，并进行硬件去抖动。如果直按键按下，实现按键编码、中断处理等功能。第二，可以区分处理数字键和功能键。数字键钭由接口芯片暂存，而当功能键被按下时申请CPU中断处理；对多个按键同时按下，按一定的编码优先级处理。第三，提供与MCS-51系列单片机兼容的接口，单片机可以读取芯片中保存的数据或功能代码。第四，提供数据显示接口，可以直接驱动4位七段LED数码管，并进行动态扫描显示。

按键根据键盘子系统的服务对象拟设置子数字键(0～9)、功能键（ROW、COL、DAT）、清零键（CLR）共14个，排成4×4的矩阵，有两个未定义。

2 专用键盘接口芯片功能结构设计

根据上述专用键盘芯片KB-CORE的功能要求，图2示出本芯片内部应有的结构框图。

根据状态图3和上述的状态转移描述，进行键盘扫描控制电路的设计，结果如图4所示。其中H3是6位循环移位寄存器，由时钟CLK触发实时状态移位。移位寄存器的输出Q0～Q5分别代表键盘扫描控制电路的状态S0～S6，当然它们并非一一对应，但实现的功能相同。值得一提的是，如果专用键盘芯片KB-CORE的外部时钟CLK来自单片机的ALE信号（如图1所示），当单片机时钟为6MHz时，则专用键盘芯片KB-CORE的外接时钟为1MHz的方波信号，信号周期为1μs。如果将该时钟信号经过一个分频器，使其输出的信号周期约为Tclk=1μs×2 12≈4ms，然后再作为H3的时钟信号。这意味着键盘扫描控制电路约4ms扫描一行按键。如果H3中的Q2态没有被使用，则可以实现约8ms的去抖动延时。通过这样的设计，可以免除延时计数器，简化电路。

4 专用键盘接口芯片的实现

根据实时数据校正系统的设计要求，使用了34上自定义I/O引脚和PC44封装的CPLD来实现专用键盘接口芯片KB-CORE。芯片型号的选择依据综合所需要的宏单元（Macrocells）个数决定。如果借助硬件描述语言VHDL[5]对上述设计进行描述，综合结果需要约140个宏单元；如果改用原理图输入方式，则只需约60个宏单元。因此选用XC9572芯片可以满足上述专用键盘接口芯片KB-CORE的要求。实际使用如图1和图2所示。操作结果表明键盘接口芯片性能稳定。

（转自 中国电子技术信息网）