嵌入式输入设备设计应用_技术

　　嵌入式系统可以对各种数据信息进行快速计算、分析、输出，即完成对数据的处理，但很多时候就需要用户“告诉”系统如何执行下一步动作，这时，就需要使用输入设备将用户的“指示”或“依据”传递给嵌入式系统。

　　常见的人机交互输入设备包括按键、触摸屏、麦克风及其他各类用户可控输入的传感器等。随着科技的发展，不仅我们常见的交互输入设备出现了新的形态，而且也出现了不少新的交互输入方式。比如，现在手机中的电容按键及重力感应传感器、距离传感器。现在的交互设备不仅体现在硬件设备的复杂性上，而且在相关数据的复杂性上也与以往有了较大的增加。比如，可用于语音输入的麦克和可用于人脸识别的摄像头，为了完成这些人机交互输入，除了硬件输入设备对信息采集外，还需要后台进行大量的数据处理，以帮助系统“理解”用户的“输入信息”。

　　下面我们详细介绍最常用的输入设备：键盘/按键。

　　图 1 最常用的输入设备键盘

　　键盘

　　键盘是嵌入式应用的常用外部设备之一。键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的数字量输入设备。对系统而言，键盘上不同的按键代表着不同的含义（一般来说，按键的含义可通过软件定义）。用户通过按动键盘的按键，输入数据或命令，实现简单的人机交互。

　　1、键盘的基本电路

　　键盘的基本电路是一个接触开关，通、断两种状态分别表示逻辑“0”和“1”。如图2所示，当开关打开时，处理器检测到相应引脚为高电平，表示逻辑“1”；当开关闭合时，处理器检测到相应引脚为低电平，表示逻辑“0”。

　　2、键盘的分类

　　按键排布的方式，键盘可分为可分成独立式按键键盘和矩阵式按键键盘；按读入键值的方式，可分为直读方式和扫描方式；按编码方式，可分成非编码方式和硬件编码方式；按微处理器响应方式可分为中断方式和查询方式。以上各种方式组合可构成不同硬件结构和接口的键盘。以下介绍较为常用的两种方式。

　　①独立式

　　图 2 键盘模型及按键抖动示意图

　　②矩阵式

　　矩阵式键盘是用n条I/O线组成行输入口，m条I/O线组成列输出口，在行列线的每一个交点上设置一个按键。如图3（b）所示，为一个4行4列的矩阵键盘。矩阵式键盘读取键值一般采用逐行扫描的方式，即输出口按位轮换输出低电平，再从输入口读入信息，最后计算各次从输入口读取的信息，获得键码。例如，将row0~3配置为输出模式，col0~3配置为输入模式；现将row0输出低电平，row1~3输出高电平，读取col0~3；如果此时第0行0列的按键有按下，则col0检测到输入为低电平，其他列为高电平。这种方式占用I/O线较少，在按键较多的应用中采用较多。

　　设计键盘时，通常小于4个按键的应用，可以使用独立式接口。如果按键较多，为了减少微处理器的I/O端口的占用，可以使用矩阵式键盘。

　　图3 独立键盘与矩阵键盘

　　另外，如果使用处理器I/O直接与矩阵键盘接口相连，上述矩阵键盘的检测方式需要处理器不断对接口扫描检测。对速度较快的处理器来说，这种检测方式是对处理器的极大浪费。所以实际应用中建议使用专门的矩阵键盘的驱动芯片或I/O扩展芯片，来实现对矩阵键盘的检测，比如ZLG7290、CAT9555等扩展芯片。使用驱动或I/O扩展芯片，可以将处理器从简单但频繁的键盘扫描动作中解放出来。如图4为ZLG7290实现矩阵键盘应用的基本电路，该芯片支持2×8个I/O扩展，采用I2C接口与处理器连接，并支持中断输出，最大可扩展8×8的矩阵键盘。