2021年03月16日 | ARM矩阵键盘设计及其linux驱动实现

在嵌入式系统开发中，经常通过键盘来实现人机交互。本文介绍了一种直接利用ARM的I/O口扩展矩阵键盘的方法。同时以TQ2440开发板为例，对硬件电路连接和相应的linux驱动设计方法都作了详细说明。

1.引言

ARM微处理器已广泛应用于工业控制、消费类电子产品、通信系统等领域。矩阵键盘是一种常用的键盘形式，它将按键设计成M行N列，这样共需M+N根信号线，却可驱动M×N个按键，大大节约了I/O资源。本文介绍了一种利用TQ2440开发板的GPIO口扩展5×4矩阵键盘的方法，并将所有按键重新布局成手持终端的键盘形式，方便操作。

2.硬件设计

本设计扩展5行4列的矩阵键盘，如图1所示。其中行线ROW1-ROW5连接S3C2440的中断引脚EINT8，EINT9，EINT11，EINT13，EINT14[1].这些中断引脚本身连有10kΩ的上拉电阻，把中断引脚电平拉高，确保按键空闲时不会触发中断。列线COL1-COL4连接S3C2440的普通I/O口GPF3，GPF4，GPG7，GPG10.这里需要注意的问题是：确保行线所用的中断在Linux的其他设备中均未使用到，否则会引起该驱动程序或其他驱动程序初始化失败。

考虑到手持终端设备按键的常用性与操作的方便性，只取矩阵键盘的前18键，并将它们重新布局为图2的形式。其中Ent键具有二重功能，即确认功能（短按）和开关机功能（长按），此功能将在驱动程序中实现。

3.矩阵键盘的Linux驱动程序设计

3.1 键盘驱动总体概述

驱动程序是操作系统内核和硬件设备之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，使应用程序可以像操作普通文件一样操作硬件设备[2].驱动程序没有main函数，它以一个模块初始化函数作为入口，并且它完成初始化之后不再运行，等待系统调用。

驱动程序是linux内核的一部分，所以在程序编写上要采用linux的表达方式。首先将列I/O端口定义为数组：col_table [] ={ S3C2410_GPF3，S3C2410_GPF4， …}，行I/O端口定义为结构型：

button_irqs [] ={ {IRQ_EINT8，S3C2410_GPG0，S3C2410_GPG0_EINT8， 0，“R1″}，

{IRQ_EINT9，S3C2410_GPG1，S3C2410_GPG1_EINT9， 1，”R2″}，

…}.//中断号（irq），引脚（pin），引脚设置，序号，名称

矩阵键盘是作为Linux的一个字符设备注册到系统中的。我们首先向系统注册矩阵键盘设备，包括设备号，设备名及file_operations结构体；file_operations结构体的成员函数是字符设备驱动程序设计的主体内容，这些函数实际会在应用程序进行Linux的open（）、write（）、read（）、close（）等系统调用时最终被调用[3].用户对键盘没有写操作，其file_operations结构体的成员函数为open（）、read（）、close（）、poll（）。

中断的注册和行列初始化在打开键盘时（即open（）函数中）实现。注册中断包括：中断号，中断入口程序，中断方式，中断名和代号。关键语句为：request_irq（button_irqs[i].irq，buttons_interrupt，IRQ_TYPE_EDGE_FALLING，button_irqs[i].name，（void*）&button_irqs[i]）。IRQ_TYPE_EDGE_FALLING意思为下降沿触发。然后再进行行列初始化：设置行线为中断，使能上拉，在linux中其表达方式为：

s3c2410_gpio_cfgpin（button_irqs[i].

pin，S3C2410_GPIO_SFN2）； //设置第i行引脚为中断

s3c2410_gpio_pullup（button_irqs[i].

pin，1）； //第i行引脚上拉

设置列线为输出，置低电平。语句表达同理，由于篇幅所限，这里不再一一列出。

read（）函数实现从设备中读取数据。该函数实现无按键按下时程序进入休眠，关键代码：

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD（button_waitq）； //生成一个等待队列头队列，名为button_waitq

static volatile int ev_press = 0；//置1，表示有键按下

ev_press为0时执行语句：wait_event_interruptible（button_waitq，ev_press），程序即进入休眠。ev_press为1时把数据从内核空间复制到用户空间，关键语句：

copy_to_user（buff，（const void *）key_values，min（sizeof（key_values），count））；//buff为用户空间的指针，key_values为内核空间指针，最后一个参数为从内核空间向用户空间拷贝数据的字节数，我们取实际大小与用户指定大小中的最小值。数据复制成功时返回零；出错时返回没有复制成功的数据字节数。

close（）函数实现关闭矩阵键盘设备，释放已注册的中断，关键语句：free_irq（button_irqs[i].irq，（void *）&button_irqs[i]）。

Poll（）函数实现轮询，如果没有按键数据，调用linux的poll_wait函数等待；如果有按键数据，则select函数会立刻返回。

3.2 中断处理及键盘扫描程序

中断处理函数的名称为上面注册的buttons_interrupt.具体程序流程如图3所示。当有按键按下时，该键所在行列导通。列的低电平将该行电平拉低，进而触发中断。然后，进入中断处理函数。由于按键存在抖动的问题，单靠一次中断的触发就判定有按键按下是不可靠的，所以采用定时器延时10ms后再进入键盘扫描函数。

本设计的键盘扫描程序采用先确定行再确定列的方法，最后对行列进行一定的运算即得键值。首先确定行：逐行扫描，判断是否有行引脚为低电平。若有，保存该行值（row）。继续确定列：逐列置低电平，当该列为按下所在列时，才会使该行再次为低电平，从而确定列（column）。再对行列进行运算：k=row*4+column，则将矩阵键盘的每一键对应为键号0-19.键盘布局为图2所示形式后，我们只取矩阵键盘的前18键（键号0-17），键值保存为k+1.对于Ent键，通过按下的时间长短区分是确定功能还是开关机功能，按下时间小于0.5秒为确认功能，按下时间大于1.6秒为开关机功能，时间在0.5秒-1.6秒的视为无效操作。计时方法为：

若该行仍为低电平且整数cnt小于1700：延时1ms，cnt++；根据cnt值即得按下时间。

开关机功能保存为第18键号，键值19.

4.驱动程序的测试

测试程序属于上层应用程序，直接调用键盘驱动程序提供的接口即可实现度键盘的操作。我们调用open（）函数实现矩阵键盘设备的打开，再调用read（）函数即可将键盘数据读取出来并保存到自己定义的数组中，最后使用printf（）函数将测试结果显示出来。

功运用到笔者的项目中，键盘输入的正确率和反应时间均符合设计要求。

5.总结

本文介绍了一种直接从ARM的I/O口扩展矩阵键盘的方法，它无需增加其它接口元器件，设计快速实用，并实现了在Linux系统下的驱动，为ARM嵌入式设备扩展手持终端式键盘提供了一种解决方案。