Windows CE.Net下矩阵键盘开发设计

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引言
　　随着现代科技日新月异的发展，作为新兴产业的嵌入式移动信息设备的应用越来越广。这些嵌入式设备中的PDA以其体积小、重量轻、便于携带、功能强大、功耗低等特点而备受青睐。键盘作为一种最为普通的输入工具在PDA上显得尤为重要。PDA因其体积小、功能专一等特点决定了它的键盘不大可能采用普通PC机上的标准键盘，因而大多数PDA采用键数相对较少的矩阵键盘。矩阵键盘设计也是多种多样，有外接键盘管理芯片设计的，如采用CH452、UR5HCSPI等芯片；有外接普通单片机设计的，如采用8051、2051等单片机；也有不采用任何外围芯片直接与CPU的I/O口相连设计的。本文介绍一种在Windows CE.Net操作系统下，直接与CPU的I/O口相连的矩阵键盘的硬件设计方案，以及相应的流接口驱动程序设计方案。
　　1  Windows CE.Net介绍
　　Windows CE是Microsoft公司专门为信息设备、移动应用、消费类电子产品、嵌入式应用等非PC领域而全新设计的战略性嵌入式操作系统。Windows CE的设计目标是：模块化以及可伸缩性、实时性能好、通信能力强、支持多种CPU[1]。
　　Windows CE.Net是Windows CE 3.0的后续产品，它不仅是一个功能强大的实时嵌入式操作系统，而且提供了众多强大工具，允许用户利用它快速开发出下一代的智能化小体积连接设备。借助于完善的操作系统功能和开发工具，Windows CE.Net提供了构建、调试和部署基于Windows CE.Net的定制设备所需的一切特性。
　　Windows CE.Net的最大好处是具有可定制性。当它自带的驱动程序不能满足用户的要求时，需要用户自己编写相应的驱动程序。Windows CE.Net的开发工具Platform Builder就可以完成相应的驱动程序开发。
　　2  矩阵键盘硬件设计
　　嵌入式设备上的键盘作为一种输入工具，有着极其重要的作用；然而受设备本身体积影响，键盘设计大多数采用20个左右的键值（0—9数字键、上下左右方向键、确定取消键以及输入法切换键ALT、TAB，具体视应用而定）。这里采用4×5的矩阵键盘设计，即4行5列。把这些矩阵键盘的行和列直接与CPU的I/O口相连，可以充分利用CPU的I/O口资源，降低硬件和驱动设计难度，提高整个系统的稳定性，并在一定程度上降低设备的生产成本。采用矩阵式键盘设计还可以最大限度地节省CPU的I/O口资源。这里用到了CPU的9个I/O口，其中4个I/O口作为中断I/O口。为了使I/O口的初始输入状态为高电平，需要在与键盘相连的每个I/O口上接起初始化电平作用的上拉电阻（100 kΩ）。上拉电阻的阻值根据I/O口端口的电流值来确定。如果相邻I/O口的布线过近，相邻I/O口的电平跳变可能会相互影响，导致扫描按键不准确，这时就需要在每个I/O口上接一个滤波电容到地，减少串扰。支持Windows CE.Net操作系统的CPU有很多种，比较常见的有三星公司的S3C2440、2410 ARM芯片和Intel公司的PXA255、270 arm芯片，这里的CPU芯片采用的是PXA255。不同CPU之间，矩阵键盘硬件设计相同。矩阵键盘硬件设计电路原理如图1所示。         

　　          图1  矩阵键盘（4×5）电路原理
　　3  矩阵键盘驱动设计
　　3.1  矩阵键盘驱动开发策略
　　Windows CE.Net中的驱动可分为两种模式：本机驱动模式和流驱动模式[2]。前者比较适合集成在本机上的设备，后者则通常用在用户添加的外围设备上。本文讨论的矩阵键盘作为一种外围设备适合采用流驱动模式。
　　3.2  矩阵键盘驱动加载过程
　　Windows CE.Net系统运行时会默认启动DEVICE.EXE进程。DEVICE.EXE就是负责加载所有流驱动的，进程对流驱动的加载通过注册表列举器（RegEnum.dll）来实现。键盘的资源信息由OEM适配层（OAL）记录在注册表中，RegEnum.dll是通过扫描注册表项HKEYLOCALMACHINE\Drivers\BuiltIn\PWRBUTTON下的键值对矩阵键盘进行初始化的。注册表中关于矩阵键盘驱动的注册信息如下：
　　[HKEY_LOCAL_MACHINE\Drivers\BuiltIn\PWRBUTTON]
　　Prefix=PWR//设备文件名前缀
　　Dll=PwrButton.Dll//键盘驱动的动态连接库名
　　Order=dword:2//键盘驱动加载顺序
　　Ioctl=dword:4
　3.3  矩阵键盘驱动重要函数设计
　　流接口驱动程序的主要任务就是把外设的使用传递给应用程序。这是通过把设备表示为文件系统的一个特殊文件来实现的，每个流接口的驱动程序都必须实现一组标准的接口函数。由于矩阵键盘驱动采用了流驱动模式设计，故矩阵键盘驱动使用标准的流驱动接口函数，也称“矩阵键盘驱动的DLL接口”。DLL接口的具体描述如表1所列。