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1、第五章 键盘及其接口技术,本章要点：1按键的抖动干扰及其解决方法。2独立式键盘的结构原理及其接口电路。3矩阵式键盘的结构原理及其行扫描法。4编码器及其编码键盘接口电路。,返回总目录,本章主要内容,引言5.1 键盘输入电路5.2 非编码独立式键盘5.3 非编码矩阵式键盘5.4 编码键盘 思考题,引言,键盘-一种最常用的输入设备,它是一组按键的集合，分类从功能上可分为数字键和功能键两种，作用是输入数 据与命令，查询和控制系统的工作状态，实现简单的 人机对话。键盘接口电路编码键盘：采用硬件编码电路来实现键的编码，每按下一个键，键盘便能自动产生按键代码。编码键盘主要有BCD码键 盘、ASCII码键盘等
2、类型。特点：使用方便，键盘码产生速度快，占用CPU时间少，但对 按键的检测与消除抖动干扰是靠硬件电路来完成的，因而硬件电路复杂、成本高。非编码键盘：仅提供按键的通或断状态,按键代码的产生与识别 由软件完成。特点：硬件电路简单，成本低，但占用CPU的时间较长。,5.1 键盘输入电路,主要知识点:5.1.1 键盘的抖动干扰5.1.2 抖动干扰的消除,链接动画,5.1.1 键盘的抖动干扰,按键的抖动干扰：由于机械触点的弹性振动，按键在按下时不会马 上稳定地接通而在弹起时也不能一下子完全地断 开，因而在按键闭合和断开的瞬间均会出现一连 串的抖动。抖动的时间长短取决于按 键的机械 特性与操作状态，一般为
3、10-100ms，此为键处理 设计时要考虑的一个重要参数。,图 键盘的抖动干扰,5.1.2 抖动干扰的消除,去抖动的方法-有硬件方法和软件方法两种。1硬件方法-设计一个滤波延时电路或单稳态电路等硬件电路。举例-R2C组成滤波延时消抖电路。按键S未按下时：电容两端电压为0，即Vi为0，输出Vo为1。S按下时：由于C两端电压不能突变，充电电压Vi在充电时间内 未达到与非门的开启电压，门的输出Vo将不会改变，直到充电电压Vi大于门的开启电压时，与非门的输出Vo才变为0。,电路设计时只要使充电延迟时间大于或等于100ms即可避开按键抖动的影响。,图 滤波延时消抖电路,链接动画,2软件方法 软件方法是指
4、编制一段时间大于100ms的延时程序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖动消失后再检测该键状态，如果该键仍保持闭合状态电平，则确认为该键已稳定按下，否则无键按下，从而消除了抖动的影响。同理，在检测到按键释放后，也同样要延迟一段时间，以消除后沿抖动，然后转入对该按键的处理。,5.2 非编码独立式键盘,特点：每个按键互相独立地占有一根I/O口线，一般通过上拉电阻保证按键断开时I/O口线有确定的高电平，而按键闭合时为低电平。可以把各按键的I/O口线直接与CPU数据线相连，也可以通过并行接口8255芯片或三态缓冲器与数据线相连，通过CPU对相关I/O口线状态的检测，即可知道键盘上
5、是否有键按下和哪个键按下，并可根据各键的功能定义进行相关的键功能处理。主要知识点:5.2.1 查询法接口电路5.2.2 中断法接口电路,5.2.1 查询法接口电路,现以3个按键为例讲解独立式键盘查询法接口电路。工作过程按键S0、S1、S2分别通过上拉电阻与CPU的数据线D0、D1、D2相连，当按键Si闭合时，数据线直接接地，因而CPU读入Di=0；当按键Si断开时，数据线通过上拉电阻接到正电源，因而CPU读入Di=1。,图 独立式键盘结构原理,链接动画,实现的功能查询检测是否有键按下，如有键闭合，则消除抖动，再判断键号，然后转入相应的键处理。其程序流程如所示。,采用查询法时，必须保证CPU每隔
6、一定时间主动地去扫描按键一次，该扫描时间间隔应小于两次按键的时间间隔，否则会有按键不响应的情形。显然这种方式占用CPU时间比较多。,图 独立式键盘查询法程序流程图,5.2.2中断法接口电路,举例仍以3个按键为例，图5-5是一个炉温控制系统的功能键分配图，S0、S1、S2分别代表自动/手动切换、炉温参数显示和炉温参数打印功能。电路接法在上述查询法接口电路的基础上，再把按键S0、S1、S2的数据输出线经过与非门和反相器后与8255A的选通输入信号PC4相连，8255A的PC3发出中断请求信号经中断控制器8259A与CPU的中断请求引脚相连。,链接动画,工作过程：CPU对8255A初始化（8255A
7、的A口工作于方式1 输入）后，CPU即执行主程序。按下S0键即表示要进入自动控制状态，此时与之相连的I/O口线呈现为低电平的同时，与非门输出为高电平，经反相器变为低电平，使8255A端口A的选通输入信号PC4 有效，则PA0PA2引脚接收并存入3个按键的“0”或“1”状态，当恢复成高电平后，经TSIT时间，8255A的PC3发出INTRa中断请求信号，经中断控制器8259A向CPU申请中断，CPU响应中断后，即转到中断服务程序中。中断服务程序依次查询按键的通断状态，当查询到是自动/手动（即S0=0）时，则转到自动/手动控制子程序的入口地址，从而使系统进入自动控制状态。如果没有键按下，则相应的I
8、/O口线均为高电平，也不会产生中断信号，CPU继续运行主程序。优缺点独立式键盘接口电路简单灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，需要占用较多的I/O口线。,5.3 非编码矩阵式键盘,主要知识点:5.3.1 矩阵式键盘的结构组成5.3.2 矩阵式键盘的程序设计,5.3.1 矩阵式键盘的结构组成,矩阵式键盘又叫行列式键盘，是用I/O口线组成的行、列矩阵结构，在每根行线与列线的交叉处，二线不直接相通而是通过一个按键跨接接通。采用这种矩阵结构只需M根行输出线和N根列输入线，就可连接MN个按键。通过键盘扫描程序的行输出与列输入就可确认按键的状态，再通过键盘处理程序便可识
9、别键值。键盘与CPU的接口可采用并行端口8255A、锁存器或缓冲器一类。图5-6给出了一种88非编码矩阵式键盘的接口电路。行输出电路由行扫描锁存器74LS273、反相器与行线X0X7连接组成，列输入电路由三态缓冲器74LS244与列线Y0Y7以及上拉电阻组成。X、Y线的每一个交叉处跨接一个键，其键值分别是十进制数的01，02，64。该键盘的接口地址为PORT1。,图 矩阵式键盘接口电路,链接动画,当键盘中无任何键按下时，所有的行线和列线被断开且相互独立，输入线Y0Y7列都为高电平；当有任意一键按下时，则该键所在的行线与列线接通，因此，该列线的电平取决于该键所在的行线。基于此，产生了“行扫描法”
10、与“线反转法”两种识别方法。行扫描法又称逐行零扫描查询法，即逐行输出行扫描信号“0”，使各行依次为低电平，然后分别读入列数据，检查此（低电平）行中是否有键按下。如果读得某列线为低电平，则表示此（低电平）行线与此列线的交叉处有键按下，再对该键进行译码计算出键值，然后转入该键的功能子程序入口地址；如果没有任何一根列线为低电平，则说明此(低电平)行没有键按下。接着进行下一行的“0”行扫描与列读入，直到8行全部查完为止，若无键按下则返回。有时为了快速判断键盘中是否有键按下，也可先将全部行线同时置为低电平，然后检测列线的电平状态，若所有列线均为高电平，则说明键盘中无键按下，立即返回；若要有一列的电平为低
11、，则表示键盘中有键被控下，然后再如上那样进行逐行扫描。,5.3.2 矩阵式键盘的程序设计,在计算机控制系统中，键盘扫描只是 CPU工作的一部分。因此在设计键盘扫描程序时，必须要保证键盘操作的实时性，又不能占有CPU太多的时间，还要充分考虑到抖动干扰的消除。一般可根据情况选用编程扫描、定时扫描或中断扫描中的一种方式。下面来考虑扫描程序的编写与准备。逐行输出行扫描信号“0”，即是CPU依次使行线X0X7为低电平，其输出数据代码分别为01H（X0线）、02H（X1线）、04H（X2线）、08H（X3线）、10H（X4线）、20H（X5线）、40H（X6线）、80H（X7线）。,为消除按键的抖动干扰，
12、程序中需调用延时100ms的子程序,以便认定确有键按下再识别其键值。求十进制键值的方法是分别设一个行值寄存器CL和列值寄存器DL。接口电路中跨接在行列线上的64个键，由于同一列相邻行之间相隔数8，所以每进行一次“0”行扫描后，如果此行无键按下，则行寄存器CL应加08再进行下一行的“0”行扫描；若有键按下则不加08而转求列值，由于列值比键值小1，如第一行第一列的键按下时列值Y0(即数据位D0)0比01键值小1，所以列值寄存器DL应先加1，然后将读入的列值循环右移，判断进位位CF是否等零即有否键按下，若无键按下，再继续加1、右移、判断，重复上述过程直到有键按下。最后把行值和列值相加并进行DAA修正
13、，即可得到所求的十进制键值。,例如跨接在X2行与Y1列的18键按下，其键值计算方法如下：第一次“0”行扫描X0行，无键按下，CL=00+08=08，接下来扫X1行，仍无键按下，加08并进行DAA修正，CL=08+08=16，再扫X2行，此时读入的列值不等于FFH即表明有键按下，则CL=16不变。然后转求列值，列值寄存器先加1再把读入的列值循环移位，由于按下的键在Y1列，所以需移位两次才能移出0值，因此DL=02，然后将行值寄存器与列值寄存器之值相加，并进行DAA修正，得到AL=CL+DL=16+02=18，即键值为18。该键盘扫描及键处理程序流程图如图5-7所示，其程序如下：,链接动画,图 矩
14、阵式键盘扫描及键处理程序流程图,程序设计,KEY：MOV AL，0MOV CL，AL；行值寄存器CL和列值寄存器DL清零MOV DL，ALMOV AL，0FFHOUT PORT1，AL；使所有行线为低电平IN AL，PORT1；读列键值CMP AL，0FFH；检查是否有键按下JZ DONE；无键按下转返回CALL DELAY；有键按下调延时100mA子程序MOV AL，0FFHOUT PORT1，AL IN AL，PORT1；重复上述扫描,再次确认是否有键按下,CMP AL，0FFHJZ DONE；无键按下转返回MOV AH，08；行数08送计数器AHMOV BL，01H；行扫描初值(即X0线
15、)送BLKEY1：MOV AL，BLOUT PORT1，AL；输出使某行为低电平IN AL，PORT1；读入列值CMP AL，0FFH；判断此行是否有键按下JNZ KEY2；有键按下转KEY2MOV AL，CLADD AL，08；无键按下,行值寄存器加08DAA MOV CL，AL,RCL BL，1；求下一行为低电平的输出代码DEC AH；判8行全扫描完了吗JNZ KEY1；若未完转KEY1，继续扫描下一行DONE：IRET；若全完则返回KEY2：INC DL；列值寄存器加1(与键值对应)RCR AL，1；列值循环右移1位JC KEY2；判断该列是否为1，为1则无键按下继查下一列MOV AL，
16、CL；为0则有键按下,获得列值ADD AL，DLDAA；求键值MOV BUFF，AL；键值送缓冲单元暂存JMP KEYADR；转查找功能键的入口地址END KEY；,5.4 编码键盘,非编码键盘都是通过软件方法来实现键盘扫描、键值处理和消除抖动干扰的。显然，这将占用较多的CPU时间。在较大的控制系统中，不允许CPU主要在执行键盘程序，这将严重影响系统的实时控制。下面以二进制编码键盘为例，介绍一种用硬件方法来识别键盘和解决抖动干扰的键盘编码器及编码键盘接口电路。主要知识点:5.4.1 二进制编码器5.4.2 编码键盘接口电路,5.4.1 二进制编码器,具有优先级的二进制8位编码器CD4532B
17、的真值表见表5-1。,5.4.2 编码键盘接口电路,图5-8是一种采用两片CD4532B构成的16个按键的二进制编码接口电路。其中由于U1的Eo作为U2的Ei，所以按键S0的优先级最高，S15的优先级最低。U1和U2的输出O2 O0经或门A3 A1输出，以形成低3位编码D2 D0。而最高位D3则由U2的GS产生。当按键S8 S15中有一个闭合时，其输出为“1”。从而S0 S15中任意一个键被按下，由编码位D3 D0均可输出相应的4位二进制码。,图 二进制编码键盘接口电路,为了消除键盘按下时产生的抖动干扰，该接口电路还设置了由与非门B1、B2、电阻R2、电容C2组成的单稳电路和由或门A4、电阻R
18、1、电容C1组成的延时电路，电路中E、F、G、H和I这五点的波形如图5-9所示。由于U1和U2的GS接或门A4的输入端，所以当按下某键时，A4 为高电平，其输出经R1和C1 延时后使G点也为高电位，作为与非门B3 的输入之一。同时，U2的输出信号Eo 触发单稳(B1和B2)，在暂稳态持续时间T内，其输出F点为低电位，也作为与非门B3的输入之一。,图 消抖电路波形图,由于暂稳态期间(T)E点电位的变化（即按键的抖动）对其输出F点电位无影响，所以此时不论G点电位如何，与非门B3 输出(H点)均为高电位。当暂稳延时结束，F点变为高电位，而G点仍为高电位(即按键仍闭合)，使得H点变为低电位，并保持到G点变为低电位为止(即按键断开)。也就是说，按下S0 S15 中任意一个按键，就会在暂稳态期间T之后（恰好避开抖动时间）产生选通脉冲（H点）或STB（I点），作为向CPU申请中断的信号，以便通知CPU读取稳定的按键编码D3D0。,思考题,1简述键盘的两种类型及其特点。2简述何为键盘的抖动干扰及其消除的两种方 法。3对比分析说明图5-3与图5-5两种键盘接口电路 的异同。4结合图5-6，分析说明矩阵式键盘电路的逐行 零扫描法的工作过程。5分析说明图5-8二进制编码键盘接口电路的工 作原理。6结合图5-8与图5-9，分析说明硬件电路消除 抖动干扰的过程。,
