节能的双线、4×4按键键盘接口

 
    可以用带有 ADC 的微控制器设计一个双线加接地组成的键盘接口。例如，可以用一个电阻分压器判定一个按下的键（参考文献 1）。微控制器的整合 ADC， 其输入电阻一般在数百千欧量级，为了有足够的精度，键盘分压器应该具有相对较低电阻值，一般为数十千欧量级。但是，在电池供电系统中，电阻分压器会消耗数百毫安电流，这迫使设计者选择经典的数字矩阵开关和多条 I/O 线作替代。此外，便携设备设计通常也限制了元件的数量。

    为满足这两个要求，图 1 中的电路采用了一个矩阵键盘和一个分为两行、两列的电阻网络。对于 4 X 4 按键的键盘，7 只电阻器就足以为所有按键编码，电路只在一个键保持闭合时消耗能量。而当没有按下任何按键时，待机电流近似为零。只用到两种阻值的电阻器，使 RA=RB=RC=R1和RD=RE=RF=RG=R2。为按键的x和y地址设定从0 ~ 3的值，通过解算下式，可以计算出任何键闭合时电阻器RG上的电压：

    ADC的基准电压VREF驱动电阻器阵列，这样就可以进行一种比例变换，消除由于VREF波动导致的按键编码错误。下式描述了任何击键的分压比r(x,y)。

    p=R1/R2表示行、列组电阻器阻值之间的比率。对于p=4，可以计算出 16 个 r(x,y) 值，它们在 [1/16, 1] 范围内，是按键位置的函数。一般来说，r分隔比率之间的最小差值出现在最靠近的键上，如 (3,2) 和 (3,3) 等 x,y 表示的键。对于一个 N 位 ADC 和 p=4的比率而言，ADC 的分辨率应满足下式：2-N-1-16-1=240-1。电路需要一个至少8位分辨率的ADC（N≥8位）。

　　不妙的是，标准值元件的标称容限 T 不能为此式提供理想的解决方案。于是，可以计算出最差情况下的分隔比率差：d=r(3,2)-r(3,3)。d 的最小值出现在RG与RD最小值和RA、RB、RC、RE与RF最大值时。你可以计算所有电阻器阻值，并为R1和R2的标称值定义一个通用比率p：

    相同的T值适用于所有电阻器。如果n=8及p=4，前式可算出结果为 T<0.018，表示±1%公差的电阻器可以正确完成16个键的编码。另外，如果你现在使用固定公差T，可以从式中算出R1和R2值之间对p比率 所要求的极限。如果T=0.01，则该公式计算出的结果变为p<4.074。

    图2中的电路采用Freescale的 Nitron MC68HC908QT4微处理器，用作基于上述计算值的键盘测试基础，用电源电压VCC作为电阻器矩阵的基准电压VREF。为满足p(4.074>p>4)的要求，使用±1%公差的R1=10 kΩ和R2=40.2 kΩ，E48系列标准电阻可提供这两种标准值。表1列出了对应于16个按键的输出码，表2 则是同时按下两个键时获得的数据，表明双键组合可以得到特殊功能。

    如果你的应用需要缺少由ADC产生内部中断的微控制器，可以如图 1所示将一个外部比较器连接到输出电压上。使比较器的阈值低于输出电压端的最低电压（例子中大约是VREF除16），比较器的输出作为微控制器的键盘中断源。

　　注意有10位ADC的微控制器（如Freescale的MC68HC908QB或Texas Instruments MSP430F11）可以用在10个电阻器编码的5 X 6键盘矩阵。重复上述分析可得到，行列p比率为5 ~ 5.51，所需电阻器公差低于4.3%，即可正确完成按键编码。R1和R2都可以从±1%公差的E48 系列中选取，R1选10 kΩ，R2则选51.1 kΩ或53.6 kΩ。


参考文献
1. Amorim, Vitor, and J Simoes, "ADC circuit optimizes key encoding," EDN, Feb 4, 1999, pg 101, www.edn.com/article/CA56657.

本文来源：电子设计技术    作者：Stefano Salvatori

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