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随着嵌入式系统的飞速发展，在嵌入式手持设备中，人机交互设备是与用户接触最多的部分，最能够直接快速地体现出该设备的性能。所以，是否有一个友好的、快速的、可靠的人机交互设备已经成为衡量一款手持设备的重要指标。在嵌入式人机交互设备中，键盘由于其具有很高的准确性和可靠性，能够适应各种恶劣的工作环境，并且具有很长的使用寿命，而得到广泛应用。 
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本文根据手持终端的特点，设计出一款矩阵键盘，并在Linux平台下开发出键盘的驱动程序。采用Qt／Embedded构建图形界面，通过对Qt／Embedded自带输入法的分析，结合Murphpinyin中文输入法软件包，构建了一款可输入数字、中／英文的嵌入式键盘。
1 硬件设计 本系统的硬件部分主要是一个4列5行的矩阵键盘，如图1所示。其中列线COL0～COL3使用了S3C2440的4个中断引脚——EINT10、ENIT13、EINT15、EINT20，并且每根列线都有一个4.7 kΩ的上拉电路，把中断引脚电平拉高，确保按键空闲时不会触发中断；行线ROW0～ROW4使用的是S3C2440的5个普通I／O口——GPE11、GPE13、GPG3、GPG6、GPG11。这里需要注意的问题是，一定要确保列线所用的中断在Linux的各个设备中尚未使用到，否则在后面的驱动程序中将会造成驱动程序初始化失败。 考虑到手持终端操作的方便性，将所有的按键进行重新布局，如图2所示。为了延长手持设备的使用寿命、提高可靠性，增加了电源按键Power。另外，考虑到手持设备的低功耗要求，增加了背光控制按钮Back-Light，通过控制LCD_PWREN引脚的高低电平，控制LCD背光的开关。其中电源按键Power、背光控制按键BackLight为单独按键，直接与S3C2440的中断引脚相连。本文重点对矩阵键盘做详细介绍，电源按键和背光控制按键的处理机制与矩阵键盘类似，这里不再做介绍。 |
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2 软件设计
2.1 矩阵键盘的Linux驱动程序设计 矩阵键盘是作为Linux的一个字符设备注册到系统中的。为了降低对系统资源的损耗，采用中断处理函数对按键做处理；同时考虑到按键的抖动问题，采用定时器来消除抖动。 该驱动程序的流程如图3所示。首先，使用S3C2440_Kb_init()函数将键盘作为一个字符设备进行注册，初始化行线引脚为：输出、非上拉，并将所有行输出置为低电平；注册该键盘设备。初始化列线所连接的中断引脚为：输入、下降沿触发中断，并建立中断与中断处理函数Key_interrupt()的连接。 当有按键按下后，由于所有的行为低电平，必然有一行和一列线导通，从而将相应的列线拉低，触发中断。然后，中断处理函数Key_interrupt()记录相应的中断号码，由于按键存在抖动，单凭一次中断的触发就判定相应的按键按下很不可靠，所以在中断触发后开启定时器kb_timer对按键状态再次进行判定。 上层应用程序使用S3C2440_Kb_open()打开键盘设备，开启列线中断，初始化定时器。当中断触发后，开启定时器，定时器定时时间到后，触发定时器中断kb_timer_handler()。kb_timer_handler()首先会调用键盘扫描函数Scan_keyboard()扫描按键状态，Scan_keyboard()流程如图4所示。如果经过3次键盘扫描，每次都扫描到相同的按键值被按下，则证明确实有按键被按下，Scan_keyboard()函数返回：KEYDOWN。如果按本次按键值与上一次按键值不同，则保存本次按键值到循环队列，这样可以不保存重复数据到缓冲队列。如果连续10次扫描到按键的状态都不为KEY_DOWN，则证明按键已经弹起，关闭定时器kb_timer。 S3C2440_Kb_read()函数负责从循环队列中读取按键值反馈给上层应用程序。 2.2 Qt／Embedded的键盘映射 Qt／Embedded是Trolltech公司针对采用嵌人式Linux的电子设备开发的综合应用平台。Qt／Embedded包含完整的应用层、灵活的用户界面、窗口操作系统、应用程序以及开发框架。 Qt／Embedded本身提供了对按键的支持，它在文件qkeyboard_qws．cpp中提供了一个QWSKeyboardHandler类来处理按键事件。本系统创建了QWSKeyboardHandler类的一个子类QWSKEYMATRIXHandler。在QWSKEYMATRIXHandler类的构造函数中，通过open()函数打开矩阵键盘key_matrix，通过对打开的键盘设备创建一个QscoketNotifer来监控按键设备，通过信号与槽机制，建立该QscoketNotifer与读键盘函数ReadKeyboardData()的连接，当key_matrix被激活时，就会触发读键盘函数ReadKeyboardData()。代码如下： notifier=new QSocketNotifier(key_matrix，QSock-etNotifier：：Read，this)； connect(notifier，SIGNAL(activated(int))，this，SLOT(ReadKeyboardData()))； 在读键盘函数ReadKeyboardData()中，调用矩阵键盘驱动程序的读函数Read()来获取按键值。为了使得按键值能够传送给应用程序，要使用QWSKeyboardHandler类的成员函数processKeyEvent(int unicode，int keycode，int modifiers，bool isPress，bool autoRepeat)，各参数功能如下： ①Unicode：按键的Unicode编码，如数字1的unicode编码为1，字母A的unicode编码为A。如果该项为0，则为功能键Shift、Left、Right等；如果该项为0xFFFF，则只传送键值keycode，不打印编码。 ②Keycode：Qt中使用的按键名称，如Qt：：Key_Backspace、Qt：：Key_Enter等。 ③Modifiers：Qt所支持的键盘组合键。 ④isPress：判断按键的状态是“按下”还是“弹起”。 ⑤autoRepeat：判断本次事件是有自动重复机制产生，还是由一个现实中的按键产生。 通过processKeyEvent()函数可以发送数字、小写英文、大写英文，但是目前Qt／Embedded上没有中文输入法，不能输入中文。 2.3 Murphpinyin拼音输入法的移植 Murphypinyin是目前为止基于Qt／Embedded的一个比较好的开源中文输入法，而且Murphypinyin带有软键盘，用户可以通过触摸屏输入中文、英文、数字和符号等。对于Murphypinyin到Qt／Embedded的移植，网络上有很多参考资料，这里不再作介绍。 但是将Murphypinyin应用到手持终端上目前还有一个问题：Murphypinyin带有的软键盘是标准的PC101键盘，按键数量很多。在对体积、重量要求很苛刻的手持终端上，触摸屏本身的尺寸受到严重的制约，PC101键盘会占据触摸屏的大部分显示面积；而且单个按键所占面积很小，从而对触摸屏的定位精度要求很高。然而触摸屏本身受周围环境的影响较大，很容易造成定位不准。本系统将矩阵键盘映射到Murphypinyin上，通过矩阵键盘输入中文、英文和数字，这样在手持终端上可以使用普通的LCD，从而降低了系统成本、提高了系统的可靠性。 首先考虑的问题是：如何用键盘打开Murphypinyin输入法?这里可以修改Murphypinyin软件包中的PinyinFrame.cpp文件中的： boot QPinyinFrame：：filter(int unicode，int keycode，int modifiers，bool isPress，bool autoRepeat) 其中：if(!isHidden()&& isPress)语句用来判断Murphypinyin输入法是否已经打开并且有按键按下。如果是，则判断当前是中文模式、还是英文模式。中文模式则调用GetKey(unicode，keycode)函数，根据输入的拼音搜索汉字；英文模式则调用SendKey(unicode，keycode)函数发送大写或小写英文字母。如果unicode==9＆＆keycode==Qt：：Key_Tab，则进行中英文切换。在这里可以添加判断语句：if(keycode==Qt：：Key NumLock)。当NumLock按键按下时，调用：QPinyinFrame：：sizeHint()和QPinyinFrame：：show()两个函数来开启Murphypinyin输入法界面。如果再次按下NumLock按键，则调用QPinyinFrame：：hide()来隐藏输入法界面。 用键盘打开Murphypinyin输入法之后，可以通过键盘发送拼音字母来输入汉字。通过发送unicode=9＆＆keycode==Qt：：Key_Tab来进行中英文切换。 2.4按键复用 由于手持终端设备对自身的体积有严格的要求，为了缩小键盘的体积，本系统模仿手机键盘的布局，采用按键复用的方式来缩小键盘大小。将26个英文字母按字母表顺序3个或4个一组依次排列在2～9这8个数字键上，并与阿拉伯数字进行复用(见图2)。 硬件上的简化必然导致软件复杂度的增加。为了使得系统能够在按下一个按键后自动识别是数字、英文大写字母、英文小写还是拼音字母，需要修改Qt／Embedded中qkeyboard_qws．cpp的QWSKEYMATRIXHandler：：ReadKeyboardData()函数。 当有按键按下后，首先需要判断当前是处于何种模式：数字、拼音、小写英文还是大写英文模式，实现流程如图5所示。通过NumLock按键和状态标志字English-Mode来进行数字状态和其他几个状态的切换。通过Tab按键来进行中、英文模式的切换，通过CapsLock按键来进行英文大小写字母的切换。 为了使一个按键能够输入不同的字符，本系统使用不同的key_ID值来标识各个字符，这样，每按一次键都是不同的。图6是对于按键2的复用过程。根据不同的key_ID结合当前所处的输入模式，发送相应的数字、小写英文或大写英文字符。 |
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3 总 结
本文介绍了基于S3C2440的矩阵键盘的硬件设计方法和软件的驱动开发方法，通过将Murphpinyin开源软件包与Qt／Embeded自带输入法的融合，使用按键复用的策略，采用较少的按键，构建了一款可输入数字、中／英文的嵌入式键盘，并在S3C2440上实现。为手持终端提供了一种嵌入式键盘的解决方案。 |
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