郝麗宏　林　凌　李　剛

傳統(tǒng)的鍵盤接口方式，鍵盤編碼控制芯片都要占用單片機兩根以上的I/O口線，且專用鍵盤編碼控制芯片的價格不菲。本文提出了脈寬編碼式按鍵的設計思想，并給出了已經(jīng)調(diào)試通過的一種脈寬編碼式按鍵的具體設計方案。

1.設計思想及幾種典型的硬件電路

脈寬編碼式按鍵的設計靈感源于兩方面：一是單片機具備測量脈沖寬度的能力。具體地說，單片機的定時器/計數(shù)器在方式寄存器TMOD的GATE位為1時可測定外部中斷引腳上高電平的持續(xù)時間；二是從電路實現(xiàn)角度講，可以方便地產(chǎn)生具有不同脈沖寬度的脈沖。這兩個方面是實現(xiàn)脈寬編碼式按鍵設計的理論基礎。下面給出幾種實用的產(chǎn)生脈沖的硬件電路：

圖1是采用六施密特觸發(fā)反相器74HC14構成的振蕩器，只需要一只電阻和一只電容就可以構成一個最簡單的多諧振蕩器。如果系統(tǒng)中不需要74HC14片上的其它5個反相器，可以采用只有一個施密特觸發(fā)反相器的芯片。

圖2 所示為采用運放實現(xiàn)的低成本電路，采用線性積分電路構成多諧振蕩器， 工藝簡單，易于實現(xiàn)。

只要把上述電路中的電阻RK以圖3中所示的電路取代，就可作為脈寬編碼式按鍵的接口電路，脈寬大小取決于電阻值。

圖4所示為采用片內(nèi)帶振蕩器的14位二進制串行計數(shù)器74HC4060實現(xiàn)的脈寬編碼式鍵盤接口電路原理圖。由于采用外接石英晶體振蕩器，所以分頻器的輸出脈寬是十分準確的，不需要任何調(diào)試就能夠工作。但由于74HC4060輸出端口有限，因而該電路適合于需要按鍵數(shù)量較少的場合，當然，只要在編程上稍下功夫，采用軟按鍵技術（即將菜單和按鍵組合在一起的用戶界面技術）就可以實現(xiàn)多個按鍵的功能。

需要說明的是：與單片機的時鐘電路相似，也可以不用內(nèi)部振蕩器，而在11腳接入外部時鐘，10腳懸空。這時可以把74HC4060換成74HC4020或者74HC4040，如圖5為采用外部時鐘由74HC4040實現(xiàn)的脈寬編碼式鍵盤接口電路。

為了進一步降低成本，并提高測量脈寬的精度和穩(wěn)定性，可以將單片機的系統(tǒng)時鐘分頻后提供給脈寬編碼式鍵盤接口電路作輸入脈沖，還可以采用外部時鐘振蕩器同時作為單片機的系統(tǒng)時鐘和脈寬編碼式鍵盤接口電路的時鐘源。需要注意的是，單片機能夠測量的最高頻率不能超過其系統(tǒng)時鐘的十二分之一。所以后者（采用外部時鐘振蕩器同時作為單片機的系統(tǒng)時鐘和脈寬編碼式鍵盤接口電路的時鐘源）在實際使用時只能放棄幾個按鍵不用，如圖5中的K1～K4。

2.程序設計

根據(jù)脈寬編碼式按鍵的設計思想，各脈寬編碼式按鍵接口電路圖中的引出端（TO）要與單片機INT0/INT1引腳相連。在保證單片機可分辨各按鍵脈寬的情況下，其它工作就留給程序設計了。

基于模塊化編程思想，按鍵程序應當獨立于程序中其它功能模塊，負責查詢按鍵狀態(tài)（有效按下、已釋放或未按下）并根據(jù)按鍵特征對按鍵編碼（賦予不同按鍵不同的鍵值），以便于主程序區(qū)分各個按鍵而轉(zhuǎn)入相應鍵處理子程序中。下面以用51單片機定時器T0測INT0腳輸入脈沖寬度為例，介紹具體的編程思路。

首先，主程序中要先進行初始化：設置定時器/計數(shù)器T0工作在16位定時器模式，打開選通門以使INT0引腳電平和TR0一起參與對T0/T1的控制，設置外部中斷INT0為邊沿觸發(fā)方式等等，具體程序見本刊網(wǎng)站。

然后編制外部中斷服務程序。下降沿觸發(fā)中斷，進入中斷服務程序后：（1）保護現(xiàn)場；（2）關閉定時器和外部中斷以免低電平時間太短時未出中斷又繼續(xù)計數(shù)或者再次觸發(fā)中斷；（3）然后讀取定時器時間。由于T0在GATE=1時是啟動定時器有效（TR0=1）并且INT0引腳為高電平時才工作，所以中斷觸發(fā)時定時器時間（TH0、TL0）恰好就是之前INT0腳脈沖的寬度；（4）根據(jù)TH0、TL0判斷出哪個按鍵被按下，賦鍵值；（5）把定時器TH0、TL0清零；（5）判斷此時INT0引腳是不是低電平，是則啟動定時器、使能中斷，不是則等待。這樣做是為了避免出現(xiàn)因為此時INT0引腳已經(jīng)是高電平而一旦啟動了定時器（TR0=1）它就開始計時以至于下次中斷得到的定時器時間（TH0、TL0）不真實；（6）恢復現(xiàn)場，中斷返回。

步驟4中對按鍵的區(qū)別取決于具體電路，如圖1、圖2結合圖3所示的電路輸出的脈寬是等差的，而圖4、5、6是等比的。前者在單片機所直接測量的范圍內(nèi)可以有較多的按鍵，但脈寬的精度較低，而后者的鍵值有限，少于16位鍵，但脈寬（鍵值）測量精度較高，特別是與單片機采用同一時鐘源時，可以認為沒有誤差。因而這兩類的鍵值處理程序略有不同：雖然都需要允許脈寬有一定的范圍，但前者的程序要復雜一些，去判定是否落在一個給定的誤差范圍內(nèi)；后者由于誤差較小，而鍵值間距較大，可以簡單地按“位”判斷即可。下面舉例說明這兩種典型情況下的編程：

假定有255個鍵，通過適當?shù)膮?shù)設置使K255按下時脈寬等于51單片機的256個指令周期（系統(tǒng)時鐘頻率為12MHz時一個指令周期等于1ms），K254按下時脈寬等于512個指令周期……，K1按下時脈寬等于65280個指令周期，相鄰兩鍵脈寬的差值為256個指令周期。按照上述的設計，脈寬比較時只需比較定時器高位字節(jié)即可。由于脈寬最小為256μs，和鍵盤電路的輸出脈沖基本上為50％的占空比，所以，在鍵盤電路的輸出低電平期間完全可以完成鍵值（脈寬）處理程序的執(zhí)行，因而可以把鍵值（脈寬）處理程序放在中斷服務子程序中執(zhí)行而不會影響脈寬的測量。鍵值有效時設置標志位KF0＝1。假定等比鍵值的鍵盤接口電路有8個按鍵，并使得脈寬最小值為256個指令周期，相鄰分布。等差鍵值（脈寬）及等比鍵值（脈寬）的處理程序見本刊網(wǎng)站。

以上介紹的6個步驟是最基本的操作，還不足以保證按鍵信息的有效性。由于按鍵是利用機械觸點的合、斷作用，因此，鍵的按下與抬起都會有10～20ms的抖動毛刺存在。為了獲取穩(wěn)定的按鍵信息，必須去除抖動影響，這也是按鍵處理的重要環(huán)節(jié)。去抖動的方法有硬件、軟件兩種。傳統(tǒng)按鍵接口電路通常用判斷口線電平來確定按鍵被按下與否，所以最常用的去抖動方法是一旦檢測到按鍵可能被按下就先延時10～20ms然后再讀口線狀態(tài)確定按下與否以及哪個鍵被按下。類似地，按鍵釋放與否也是在執(zhí)行完相應鍵功能子程序后讀取口線狀態(tài)來確定。

在脈寬編碼式按鍵電路中抖動表現(xiàn)為脈沖寬度的不一致，因而去抖動的方法是在中斷服務程序中判斷此次測得的定時器時間（TH0、TL0）是否與上一次相等，相等則有效，不等則認為是干擾或者原按鍵已經(jīng)釋放而新的按鍵被按下，更新定時器時間暫存單元。為了提高測量精度，設定計數(shù)器N，若連續(xù)n次測得的定時器時間（TH0、TL0）都相等，則認為按鍵有效，計數(shù)器N清零、賦鍵值、按鍵有效標志置1；若不足n次就發(fā)生變化，則認為按鍵無效，清空按鍵有效標志。需要注意的是，要允許一定的測量誤差存在，只要不影響按鍵的識別即可。

3.一個已經(jīng)調(diào)試通過的應用實例

筆者設計了圖6所示的應用實例電路，其中MSC1210是TI公司生產(chǎn)的51兼容的單片機，具有增強型51內(nèi)核，其ALE信號作為分頻器74HC4060（用4040或者4020除引腳序號不一樣外無區(qū)別）的輸入時鐘源信號，出于實際需要只用了5個按鍵。測試程序用單片機C語言編寫，在Keil_C7.01上調(diào)試通過，并由MSC1210的串口下載工具下載到單片機里，圖7為其主程序流程圖、圖8為中斷子程序流程圖，在本刊的網(wǎng)站上給出了源程序，供讀者參考。

該程序的執(zhí)行結果是：按圖6中的K1～K5鍵則輸出小寫字母e～a，按一次鍵輸出一次。如果用戶想把某個按鍵作為連續(xù)觸發(fā)鍵（即按鍵按下較長時間后才抬起，雖然鍵閉合一次，但CPU卻進行多次鍵輸入處理）使用，只要稍微改變主程序中鍵處理子程序即可。例如：***行{}中加入下列語句：do{fun();}while(KF0==0);則只要按住K1鍵不放就反復執(zhí)行fun()函數(shù)。要做成軟按鍵也只要進行嵌套即可。