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基于嵌入式Linux的矩阵键盘驱动程序开发 - 软件编程-OS - 免费猫

发布时间:2020-02-17 14:05:57 阅读: 来源:完井缓蚀剂厂家

基于嵌入式Linux的矩阵键盘驱动程序开发 - 软件编程/OS - 电子工程网

随着以计算机技术、通信技术和软件技术为核心的信息技术的发展,嵌入式系统在各个行业中得到了广泛的应用。嵌入式系统已成为当今IT行业的焦点之一。而在嵌入式系统中,键盘是重要的人机交互设备之一。嵌入式Linux是一种开放源码、软实时、多任务的操作系统,是开发嵌入式产品的优秀操作系统平台,是在标准Linux基础上针对嵌入式系统进行优化和裁剪后形成的,因此具有Linux的基本性质。在此提出的矩阵键盘驱动程序的设计方案是以嵌入式Linux和TIOMAP5912处理器为软硬件平台的,在设计的嵌入式语音识别应用平台中,通过测试,表明其具有良好的稳定性和实时性。

1 硬件原理

OMAP5912处理器是由TI应用最为广泛的TMS320C55X DSP内核与低功耗、增强型ARM926EJ—S微处理器组成的双核应用处理器。用这样一种组合方式将2个处理器整合在1个芯片后,开发人员可以根据实际情况,利用DSP运行复杂度较高的数字信号处理任务,利用ARM运行通信、控制和人机接口方面的任务,从而使便携式设备在保持良好人机交互环境的基础上,有效地降低功耗。在外设方面,OMAP5912微处理器支持常用的各种接口,其中通过MPUIO接口最多可支持8×8的矩阵键盘,系统中采用这个接口扩展了一个4×5的矩阵键盘。其硬件连接示意图如图1所示,其中按键行阵列必须提供上拉信号,列阵列加二极管,防止瞬间电流过大对MPUIO口造成冲击。

按照键盘的构造方式人们把键盘划分为线性键盘和矩阵键盘。其中,线性键盘是指每个按键都占用嵌入式处理器的1个I/O端口,并通过这个I/O端口实现人机交互,各个按键之间互不影响。使用这种方案的优点是简单、可靠,但是线性键盘对I/O端口的占用量很大。因此,嵌入式系统中很少采用这种方法。

另外一种矩阵键盘是指当按键数量过多时,采用矩阵的排列方法,将按键设计成n行m列的矩阵形式。其中,每个按键占用行和列的1个交叉点,并且以行和列为单位引出信号线。这样只需要占用n+m个I/O端口,却可以驱动n×m个按键,大大节省了对嵌入式处理器I/O端口的占用,节省了宝贵的资源。矩阵键盘在减少嵌入式处理器I/O端口占用的问题上做出了很大的贡献,但随之而来的问题是如何确定矩阵中按键的位置,这里采用列扫描法,其思路如下:

在键盘初始化阶段,所有的列信号(KBC)都被设置输出为低电平。如果矩阵键盘中的1个按键按下,则相应的行信号和列信号线短路,行信号线(KBR)输入由高电平变为低电平,产生1个中断,然后在驱动的中断服务程序中按照表1中的序列逐列扫描列信号,读取行信号的状态,根据读回来的行信号状态就可以判断有那些按键按下。

另外,键盘驱动必须解决的一个问题是键盘的抖动。在按键按下和抬起的过程中,电压信号会出现很多毛刺,这主要是由于机械按键的弹性作用引起的。尽管触点看起来非常稳定,而且快速地闭合,但相对于嵌入式处理器的运行速度来说,这种动作是比较慢的。这种脉冲在某些按键功能设计时,如果处理不当可能会带来灾难性的后果。所以必须对按键信号进行防抖检测。按键防抖检测的核心思想是在嵌入式处理器的几个时钟周期内,通过对按键信号进行多次访问,查看电平状态是否保存一致。如果保持一致,则说明按键状态已经稳定;否则,说明之前检测到的按键信号是抖动信号或外界信号干扰,系统将不会对其进行任何处理。

2 嵌入式Linux设备驱动程序

在Linux内核源代码中,各种驱动程序的代码量占据了整个Linux代码的85%。可见,Linux设备驱动在整个操作系统中起着举足轻重的作用。设备驱动是操作系统内核和机器硬件之间的接口,它们控制着设备的操作动作,并且提供了一组API接口给应用程序,使得应用程序能够与这个设备互动。而且,设备驱动为应用程序屏蔽了硬件的细节,在应用程序看来,硬件设备只是1个设备文件,应用程序就可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。在Linux操作系统中,通常将外围设备分为3种类型:字符设备、块设备和网络设备。

而在Linux操作系统中,还有一类设备被定义为“平台设备”,通常So(System on Chip)系统中集成的独立的外设单元都被当作平台设备来处理,这里把4×5的矩阵键盘也定义为平台设备。所谓的“平台设备”并不是与字符设备、块设备和网络设备并列的概念,而是Linux系统提供的一种附加手段,例如,键盘驱动,它本身是字符设备,但也将其归纳为平台设备。

另外,键盘又属于输入设备,Linux内核提供了输入子系统,如键盘、触摸屏、鼠标等输入设备都可以利用输入子系统的接口函数来实现设备驱动。输入子系统由核心层(Input Core)、驱动层和事件处理层(EventHandler)三部分组成。在Linux内核中,使用输入子系统实现输入设备驱动的时候,驱动的核心工作是向系统报告按键、触摸屏、鼠标等输入事件。而不再需要关心文件操作接口,因为输入子系统已经完成了文件操作接口。通过输入子系统,实现输入设备驱动时只需要完成以下工作:

(1)在模块加载函数中告知输入子系统输入设备可以报告的事件。例如,可通过_set_bit(EV_KEY,input_dex,一>evbit)来告知输入子系统该设备可报告按键事件。

(2)在模块加载函数中注册输入设备。注册函数为:int input_register_device(struct input_dev*dev);

(3)当有输入事件发生时,如按键按下/抬起、触摸屏被触摸/抬起/移动时,通过input_report_xxx()报告发生的事件及对应的键值、坐标等状态。主要的事件类型包括EV_KEY(按键事件)、EV_REL(相对值,如鼠标移动,报告相对于最后一次位置的偏移)和EV_ABS(绝对值,如触摸屏)。用于报告EV_KEY事件的函数为:void input_report_key(struct input_dev*dev,un—signed int code,int value);

(4)在模块卸载函数中注销输入设备。注销输入设备的函数为:void input_unregister_device(struct in—put_dev*dev);

3 矩阵键盘驱动中的数据结构

首先,定义一个整型数组osk_keymap[]用来定义按键映射表,把20个按键返回的码值映射成内核中标准的键码,这样有利于与上层应用程序的交互。通过KEY(col,row,code)宏定义来实现映射关系,如要把第2行第4列的按键映射为回车键,则通过KEY(3,1,KEY_ENTER)便可实现。其中KEY_ENTER是内核中定义的标准的键码。

其次,定义矩阵键盘的设备结构体omap_kp,其定义如下:

4 矩阵键盘驱动程序设计及测试

首先,实现矩阵键盘驱动的加载和卸载函数,分别通过调用platform_drivet_register()和platform_driV—er_unregister()实现矩阵键盘作为一个平台设备的注册和注销。

其次,实现矩阵键盘驱动的探测和移除函数。在探测函数中,初始化行数、列数、中断号以及按键映射表。然后分配内存空间和输入设备,初始化omap_kp这个设备结构体和输入设备结构体input_dev,初始化定时器,设置输入设备可以报告的事件类型,并注册输入设备。最后申请中断,申请中断成功后,使能中断。移除函数则完成相反的工作。

最后,实现矩阵键盘驱动的核心部分,也就是中断部分。众所周知,在Linux的中断处理中分为2部分,分别是顶半部(top half)和底半部(bottom half)。顶半部完成尽可能少的比较紧急的功能,它只是简单地读取寄存器中的中断状态并清除中断标志后就进行“登记中断”的工作。“登记中断”意味着将底半部处理程序挂到该设备的底半部执行队列中去。这样。顶半部执行的速度就会很快,可以服务更多的中断请求。底半部,是实现中断处理的真正部分,它来完成一些延缓的耗时任务,首先通过列扫描法检测各个按键状态有没有变化,若有变化再判断是哪一列哪一行发生变化,按键的行和列确定以后,通过键值映射表来查找其有没有对应的键值;若有则通过input_report_key()向内核报告按键的键值;否则,对应的按键没有定义键值,向内核报告为假按键(Spurious Key)。然后,延时(1/20)Hz再判断按键是否抬起。

驱动开发完成后,以模块方式加入到内核,并在MiniGui和Qtopia下进行了测试,在Qtopia下测试结果如图2所示,证明矩阵键盘驱动工作正常、有效。

5 结 语

在此介绍了基于0MAP5912和嵌入式Linux的一种矩阵键盘驱动的工作原理和开发方案。该驱动以静态方式加入内核后,通过测试证明矩阵键盘驱动工作稳定、高效,在MiniGui和Qtopia的记事本中,都能正确显示正确的键值,基本上实现了其功能,并成功地应用于所开发的嵌入式语音识别系统中。

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