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基于AD转换键盘阵列分析与设计 　　【摘要】本文主要介绍了基于模拟-数字转换的键盘阵列设计方法。以常用4×4键盘为例，根据其阵列结构，设计出兼容的且适用于AD转换的阵列键盘。采用场效应管构成恒流源，为键盘供电，使得键盘输出电压受电源波动影响小，并且可由AD转换器直接采样。经过仿真与实际测试分析，推导出适用于不同AD精度的键盘阵列的通用计算公式。 　　【关键词】模数转换；键盘阵列；恒流源 　　引言 　　在某一电路设计时，常常遇到处理器端口资源不够用情况，对于系统中含有AD功能时，这时可使用一路AD完成键盘设计。目前很多处理器都带有AD功能，那么这样可以节省至少7个I/O资源。本文以4×4键盘阵列设计为例子，分析AD键盘最佳设计方法。传统方法是用16个等值电阻串联分压方式，比如8位的AD，理论上可以实现256个按键；这样结构非常直观、电压等间距。缺点是电阻太多，易受噪声影响，而且键盘必须单独布线设计，并不能兼容市场销售的4×4或5×5等结构的键盘。因此，本文设计出兼容性AD键盘，并推导出在AD精度范围内任意键盘阵列的最佳计算公式，及给出硬件设计方法和软件算法。要注意在设计任一电路时应遵循：电路结构简单、可靠高、成本低、兼容性好等，否则失去意义。 　　1.键盘阵列结构设计 　　为了兼容普通键盘阵列，应使得每个按键按下时的键值成递增结构。电路结构如图1。 　　图1中网络号KEY-AD接单片机的AD输入端口。J1～J8代表4×4键盘的8个引脚节点；以8个按键为例说明。V1～V8（V9～V16未标出）代表前8个按键节点电压，I是1mA恒流源电流。为了得到等间距0.3V的电压参数，即V1-V2=0.3，V2-V3=0.3依次类推，应采用场效应管构成的恒流源。当AD转换的参考电压是2.5V时，只要改变电流即可。根据分压原理列方程组，当V1节点的按键按下时，列方程（1）： 　　 （1） 　　当V3节点的按键按下时，列方程（2）： 　　 （2） 　　…… 　　依次类推列出所有方程组（实际上不用全部列出），再解得线性方程组得到： 　　 　　 　　图中K1就是4×4键盘8个引脚，实现了与普通键盘兼容。当键盘数量较少时，可以这样计算，如果需要按键更多时，计算量比较大。为此，应找出正确的计算公式，避免重建时键值重复现象。 　　2.键值分析及多键扩展 　　仔细研究分析图1结构，可以看出只要使J3节点任意按键按下，不影响J1任意一个键值判断即可，就是说只要分析相邻列的键值，就能够避免所有的任意两个按键造成的键值重复现象。对于矩阵按键（X=Y），可得出简易计算Rx、RY的公式。VREF是AD转换满量程电压，I是键盘恒流源电流，键盘列数为X，行数是Y，△Rmin是相邻按键的最小差值，i表示相邻按键的间隔行数（或理解为并联的RY个数）。 　　 （4） 　　 （5） 　　 （6） 　　式6就是使得图1中同一列中的最小差值电压能够被AD识别，比如V1||V4，V2||V5，V3||V6等。根据式（5）（6）计算 　　 （7） 　　 （8） 　　综合（4）（5）（6）得到其避免相临按键的键值误判最小AD位数B应满足式（10）： 　　 （10） 　　根据式（10）计算，当相邻按键的重键（如V3||V6）时，即i=1时，10位AD最多的矩阵是9×9=81个键值键盘，当I=1mA时，根据（6）（7）（8）计算得，；当i=2时（如V2||V4），键盘矩阵是15×15=225键；i=3时，键盘矩阵20×20=400键。 　　（下转第40页） 　　（上接第37页） 　　为了避免并联键值变化最大时，造成的重复键值，所以还需要满足以不等式（11）： 　　 （11） 　　其中(Y－j)表示按键最大行间隔即有效的RY个数，其中1≤j≤Y的自然数。整理得： 　　 （12） 　　式（12）表示当最大并联电阻差值也必须能够被AD转换器识别。并且可以看出，即只要在最小时使得式（12）成立即可。再联合式（4）得： 　　 （13） 　　最后根据AD位数B值，结合公式（10）（13）并合理选择重键间隔j，可以设计出相对较优秀的适用于AD转换的阵列键盘。 　　3.软件算法 　　参照图1完成软件算法。由于键值的最小间距0.3V，可模糊判断，即在AD转换结果中直接舍去最低1-3位。键号等于AD转换的结果除以0.3后的结果（取整），也可由查表法完成。软件设计时要增加去抖动功能，可增加采样次数，但效率低；但是为了兼顾响应效率，可设置中断扫描方式，即在中断时间前后各进行一次AD转换，结果相等的确认按键号有效。当无按键按下时，输出的是最大电源电压+5V，那么采样结果是满量程的，所以在设计电路时应使满量程电压VREF适当小于恒流源工作电压。这样