基于GD32F103单片机控制的加固型键盘

刘 彬，张 勇

(山西大众电子信息产业集团有限公司,山西 太原 030024)

0 引言

随着计算机硬件和软件的不断升级换代,计算机的发展进入到了包括多媒体在内的高速多功能时代。与此相适应,计算机键盘也出现了一些新的变化,主要表现在键盘键数的增加及功能的整合。多媒体键盘,其特征是增加了一些特殊功能键,通过设定主板BIOS或软件设定,使这些新增的键可以实现开关电脑、休眠启动、CD播放、音量调整、一键上网等特殊功能。此外还出现了一些多功能集成的键盘,如将扫描仪、录音设备或手写板、鼠标等整合为一体的键盘,以及带有文字编辑或指纹识别功能的智能键盘等。

本文研究的加固型键盘其主要特点是每个按键均可支持文字显示或者位图显示功能,通过数据接口可与计算机互连实现对显示内容和按键定义的编程控制。并且可以自动检测识别PS2接口和USB接口类型实现自适应。

1 加固型键盘的工作原理

加固型键盘主要由接口模块、电源模块、电平转换模块、主控模块、显示开关模块组成,工作原理框图如图1所示。主控模块采用GD32F103单片机,可实现按键信号采集以及按键显示的可编程控制。电平转换模块将TTL信号转换为RS232信号,实现主控模块与上位机的通信。电源模块实现DC/DC功能,为各模块供电。接口模块分为输入输出接口,包含电源接口、232接口。显示按键模块由3X5的显示按键矩阵组成,可与主控模块间实现SPI通信。

图1 加固型键盘原理框图

1.1 键盘主控模块工作原理

键盘主控模块主要由ARM微处理器、静电保护电路、RS232电平转换电路、接口等组成。采用嵌入式微处理器完成按键扫描、处理及传输工作,通过USB接口协议传送数据。电路设计有静电保护防止高压静电击穿,提高整机抗静电性能。控制模块原理框图如图2所示。

图2 主控模块原理框图

键开关矩阵即键盘按键由一组排列成矩阵方式的按键开关组成,所输入的信号由按键所在的位置决定。单片机即键盘内部采用的GD32F103单片机微处理器,内部集成了以ARM CORTEX-M3的CPU,工作电压为0 V～3.6 V,频率为72 MHz,32 k的片内Flash程序存储器,支持外设有:定时器、ADC、I2C和串口,并具有ISP(在系统编程)和JTAG(在线调试编程)功能。键盘排列成矩阵格式,按键的识别和行列位置扫描码的产生,是由键盘内部的单片机通过译码器来实现的。

加固键盘通常采用行列扫描法来确定按下键所在的行列位置。所谓行列扫描法是指,把键盘按键排列成n行×m列的n×m行列点阵,把行、列线分别连接到两个并行接口双向传送的连接线上,点阵上的键一旦被按动,该键所在的行列点阵信号就被认为已接通。按键所排列成的矩阵,需要用硬件或软件的方法轮转顺序地对其行、列分别进行扫描,以查询和确认是否有键按动。如有键按动,键盘就会向主机发送被按键所在的行列点阵的位置编码,称为键扫描码。单片机通过周期性扫描行、列线,读回扫描信号结果,判断是否有键按下,并计算按键的位置以获得扫描码。键被按下时,单片机分两次将位置扫描码发送到键盘接口:按下一次,叫接通扫描码;按完释放一次,叫断开扫描码。这样,通过硬件或软件的方法对键盘分别进行行、列扫描,就可以确定按下键所在位置,获得并输出扫描位置码,然后转换为ASCII码,经过键盘I/O电路送入主机,并由显示器显示出来。

键盘设计有Caps及NumLock状态指示灯,用于显示主机大小写锁定状态及数字小键盘锁定状态。在控制处理模块与键盘矩阵、接口连接端点处均设计有静电保护瞬态抑制二极管。

1.2 显示按键模块

显示按键模块采用可编程显示开关。其驱动背板应用标准的CMOS工艺制作,形成硅基OLED微显需要的像素电路、行列驱动电路以及其他的功能电路。OLED器件部分使用0.1 μm的CMOS切割工艺在超小尺寸上,实现高清、高亮显示,低电磁辐射,可以在-40 ℃～70 ℃环境温度下稳定可靠工作。高清图像驱动电路以及控制逻辑电路,经数据总线通信接口获取显示数据和指令,通过视频转换模块形成显示画面。

按键模块具有高清晰度、高对比度以及高分辨率的紧凑型显示屏,在16位色模式下可显示65536种色彩。采用超薄边框,能够最大限度地利用显示屏,实现全屏显示。键面布局由多个单元轻松地组合成一个显示屏,在尺寸和布局上具有灵活性。可通过GD32F103单片机串行通信提供的命令和数据进行操作,按键行程很短,可以达到1.8 mm,使得键盘的操作平滑且安静,为触摸面板带来了无与伦比的触觉反馈。键盘具有密封防尘结构,能够防止接触构造部的尘埃的侵入,可靠性高且寿命长,能够实现一百万次开合,操作寿命可以达到50 000 h以上。键盘使用环氧树脂密封直型PC端子,其中的嵌入式支架用于方便且牢固的安装和对准,可以防止波峰焊接过程中发生移位。

开关原理框图及引脚配置如图3所示。

图3 开关原理框图

1.3 接口自适应模块

接口自适应模块实时捕获矩阵键盘的状态,并转化成USB数据包或者PS2数据包发送给PC处理。整个模块由键盘矩阵或传感器及各自的前端处理模块、核心控制模块、PWM调光模块、PS2接口、USB接口组成。系统工作原理如下:外部接口任一连接到主机,核心控制模块会检测到该接口供电,并加载该接口对应的驱动程序,并进入监听模式,后台实时监控矩阵键盘的最新状态,并按照该接口的标准协议发送数据包给PC机处理。另外,该键盘加入了PWM调光电路,触发键盘上对应的亮度加减按钮,核心MCU会检测到按键按下,驱动PWM电路输入相应的电压,调节显示按键背光。

核心控制模块通过GD32F103单片机处理器,采用ARM Cortex-M3处理器内核,集成有256kB的Flash,64kB的SRAM,有丰富的双向GPIO接口,并集成了USB2.0全速的设备/主机/OTG控制器,有很强的稳定性。控制模块自动检测哪个输出接口接到PC机,硬件上做了相应处理,GD32F103会检测到对应接口的5 V输入,可以自动识别USB接口、PS2接口哪个接入PC机,并加载相应接口的驱动程序,实现PS2接口和USB接口的自适应。加载完毕,进入监听模式,后台实时扫描各个按键的工作状态:按下、长按、释放状态并根据PS2协议或USB协议打包成键盘数据包,上传给PC机。为了满足显示键盘在不同环境光线中也可正常使用键盘,电路加入了PWM调光电路,GD32F103实时捕获调光按键的状态,通过调整PWM占空比改变背光的亮度,根据用户喜好调整背光亮度。

1.4 电源模块

键盘所需要的电源电压主要有+15 V、+3.3 V,设计中选用上海芯龙公司的XL7015将24V电压降到15 V、12 V;选用上海贝岭公司的BL8034CS8TR将12 V电压降为3.3 V。详细设计电路如图4,5所示。

图4 XL7015电路图

图5 BL8034CS8TR电路图

1.5 电源模块

电平转换模块选用SIPE公司的SP3223芯片,实现TTL信号与RS232信号的转换从而实现主控芯片与上位机通信。应用电路如图6所示。

图6 SP3223电路图

2 键盘的加固设计

键盘是人机对话必不可少的外部输入设备,键盘工作的稳定性直接影响计算机系统工作的稳定性及可靠性。具体来说主要有三方面原因:

首先硬件设计的稳定性。我们这里主要谈谈元器件的参数选择的重要性,电路设计中元器件的选取需满足产品抗恶劣环境参数要求,尽量选择宽温工作器件。例如晶体参数选取对键盘来说至关重要,键盘控制电路板的单片机是靠外部晶体振荡提供工作时钟频率,若晶体振荡频偏偏差超过单片机稳定工作允许的频率误差范围,那么单片机就不能正常工作,而失去控制功能,整个控制系统处于瘫痪状态。若选取的是军品级(工作温度范围为-55 ℃～+85 ℃)器件,那么在不同温度环境条件下,晶体总频差为≤±50PPM,若晶振频率总频差超出该范围就会导致单片机工作异常,程序不能正常运行,接口状态不稳定,与主机通讯无法正常进行产生报警。因此只有离散器件在不同的工作环境中参数稳定,才能保证电路工作的稳定可靠。

其次软件设计稳定性。采用数字滤波措施抗干扰。数字滤波就是用软件实现某种数学运算、对数据进行处理,来达到滤波的效果。软件数字滤波不用增加硬件开销,可以灵活地修改滤波参数,但由于指令执行速度受限制,适用于低频滤波,或抑制尖峰干扰,对数百kHz以上的交流噪声就无能为力了。因此在实际系统中常采用软硬件滤波相结合的方法,取长补短,以达到满意的噪声抑制效果。

再次抗干扰设计。键盘主要是通过单片机实现按键的扫描与编码控制,单片机控制电路干扰产生的途径:

1) 干扰信号干扰单片机的主要路径是通过I/O口,影响了单片机的数据采集及内部其它寄存器。干扰信号随时可以发生,干扰信号的强度也不尽相同。合理设置I/O口的上拉电阻(输入阻抗)的阻值可以抑制部分干扰。

2) 单片机对于电源的波动干扰很敏感,比如说单片机可以在5 V±5%电压下稳定工作,超出该范围的大幅度波动电压下就不能稳定工作,应采用电容滤波剔除高频干扰。

3) 上电干扰,每个单片机系统在上电时候都要经过波动这样一个过程。 单片机虽然可以在5 V±10%电压下稳定工作,但并不是说它不能在5 V±10%范围以外的电压下工作,单片机在如此低的电压下是超不稳定状态,程序极容易跑飞,所以应保证电源的稳定。

3 结束语

使用可编程显示按键开关设计的加固型键盘不用担心因疏忽而造成输入错误,能让设计变得简单。单个按键具备可编程显示的全部优点,而其基座提供开关功能。一个键盘可以通过再编程方法设定为多种不同的语言。这种多语言编程能力使得设计者可以将一种生产线出售给全球各个国家。如果产品要进行升级,用户可以通过软件进行升级,而无需更换整个键盘。并且按键可以通过编程方式设定为执行多种特定功能,按键的显示可以根据应用要求变成文字或图形。与专用功能键不同,显示按键可以执行无数的功能选项,并显示相应的标识。单个按键可控制其他按键批量显示并执行相应的功能界面,减少键盘的种类。随着技术的进步,加固型键盘将继续拓展更多的应用领域。