基于Murphypinyin的嵌入式鍵盤(pán)設(shè)計(jì)

引? 言
　隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，在嵌入式手持設(shè)備中，人機(jī)交互設(shè)備是與用戶接觸最多的部分，最能夠直接快速地體現(xiàn)出該設(shè)備的性能。所以，是否有一個(gè)友好的、快速的、可靠的人機(jī)交互設(shè)備已經(jīng)成為衡量一款手持設(shè)備的重要指標(biāo)。在嵌入式人機(jī)交互設(shè)備中，鍵盤(pán)由于其具有很高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境，并且具有很長(zhǎng)的使用壽命，而得到廣泛應(yīng)用。

　　本文根據(jù)手持終端的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一款矩陣鍵盤(pán)，并在Linux平臺(tái)下開(kāi)發(fā)出鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)程序。采用Qt／Embedded構(gòu)建圖形界面，通過(guò)對(duì) Qt／Embedded自帶輸入法的分析，結(jié)合Murphpinyin中文輸入法軟件包，構(gòu)建了一款可輸入數(shù)字、中／英文的嵌入式鍵盤(pán)。

　　1? 硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的硬件部分主要是一個(gè)4列5行的矩陣鍵盤(pán)，如圖1所示。其中列線COL0～COL3使用了S3C2440的4個(gè)中斷引腳——EINT10、ENIT13、EINT15、EINT20，并且每根列線都有一個(gè)4.7 kΩ的上拉電路，把中斷引腳電平拉高，確保按鍵空閑時(shí)不會(huì)觸發(fā)中斷；行線ROW0～ROW4使用的是S3C2440的5個(gè)普通I／O口——GPE11、GPE13、GPG3、GPG6、GPG11。這里需要注意的問(wèn)題是，一定要確保列線所用的中斷在Linux的各個(gè)設(shè)備中尚未使用到，否則在后面的驅(qū)動(dòng)程序中將會(huì)造成驅(qū)動(dòng)程序初始化失敗。

　　考慮到手持終端操作的方便性，將所有的按鍵進(jìn)行重新布局，如圖2所示。為了延長(zhǎng)手持設(shè)備的使用壽命、提高可靠性，增加了電源按鍵Power。另外，考慮到手持設(shè)備的低功耗要求，增加了背光控制按鈕Back-Light，通過(guò)控制LCD_PWREN引腳的高低電平，控制LCD背光的開(kāi)關(guān)。其中電源按鍵Power、背光控制按鍵BackLight為單獨(dú)按鍵，直接與S3C2440的中斷引腳相連。本文重點(diǎn)對(duì)矩陣鍵盤(pán)做詳細(xì)介紹，電源按鍵和背光控制按鍵的處理機(jī)制與矩陣鍵盤(pán)類似，這里不再做介紹。

　　2? 軟件設(shè)計(jì)

　　2.1? 矩陣鍵盤(pán)的Linux驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　矩陣鍵盤(pán)是作為L(zhǎng)inux的一個(gè)字符設(shè)備注冊(cè)到系統(tǒng)中的。為了降低對(duì)系統(tǒng)資源的損耗，采用中斷處理函數(shù)對(duì)按鍵做處理；同時(shí)考慮到按鍵的抖動(dòng)問(wèn)題，采用定時(shí)器來(lái)消除抖動(dòng)。

　　該驅(qū)動(dòng)程序的流程如圖3所示。首先，使用S3C2440_Kb_init()函數(shù)將鍵盤(pán)作為一個(gè)字符設(shè)備進(jìn)行注冊(cè)，初始化行線引腳為：輸出、非上拉，并將所有行輸出置為低電平；注冊(cè)該鍵盤(pán)設(shè)備。初始化列線所連接的中斷引腳為：輸入、下降沿觸發(fā)中斷，并建立中斷與中斷處理函數(shù)Key_interrupt()的連接。

　　當(dāng)有按鍵按下后，由于所有的行為低電平，必然有一行和一列線導(dǎo)通，從而將相應(yīng)的列線拉低，觸發(fā)中斷。然后，中斷處理函數(shù) Key_interrupt()記錄相應(yīng)的中斷號(hào)碼，由于按鍵存在抖動(dòng)，單憑一次中斷的觸發(fā)就判定相應(yīng)的按鍵按下很不可靠，所以在中斷觸發(fā)后開(kāi)啟定時(shí)器 kb_timer對(duì)按鍵狀態(tài)再次進(jìn)行判定。

　　上層應(yīng)用程序使用S3C2440_Kb_open ()打開(kāi)鍵盤(pán)設(shè)備，開(kāi)啟列線中斷，初始化定時(shí)器。當(dāng)中斷觸發(fā)后，開(kāi)啟定時(shí)器，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到后，觸發(fā)定時(shí)器中斷kb_timer_handler()。 kb_timer_handler()首先會(huì)調(diào)用鍵盤(pán)掃描函數(shù)Scan_keyboard()掃描按鍵狀態(tài)，Scan_keyboard()流程如圖4所示。如果經(jīng)過(guò)3次鍵盤(pán)掃描，每次都掃描到相同的按鍵值被按下，則證明確實(shí)有按鍵被按下，Scan_keyboard()函數(shù)返回：KEYDOWN。如果按本次按鍵值與上一次按鍵值不同，則保存本次按鍵值到循環(huán)隊(duì)列，這樣可以不保存重復(fù)數(shù)據(jù)到緩沖隊(duì)列。如果連續(xù)10次掃描到按鍵的狀態(tài)都不為 KEY_DOWN，則證明按鍵已經(jīng)彈起，關(guān)閉定時(shí)器kb_timer。

　　S3C2440_Kb_read()函數(shù)負(fù)責(zé)從循環(huán)隊(duì)列中讀取按鍵值反饋給上層應(yīng)用程序。

　　2.2? Qt／Embedded的鍵盤(pán)映射

　　Qt／Embedded是Trolltech公司針對(duì)采用嵌人式Linux的電子設(shè)備開(kāi)發(fā)的綜合應(yīng)用平臺(tái)。Qt／Embedded包含完整的應(yīng)用層、靈活的用戶界面、窗口操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序以及開(kāi)發(fā)框架。

　　Qt／Embedded本身提供了對(duì)按鍵的支持，它在文件qkeyboard_qws．cpp中提供了一個(gè) QWSKeyboardHandler類來(lái)處理按鍵事件。本系統(tǒng)創(chuàng)建了QWSKeyboardHandler類的一個(gè)子類 QWSKEYMATRIXHandler。在QWSKEYMATRIXHandler類的構(gòu)造函數(shù)中，通過(guò)open()函數(shù)打開(kāi)矩陣鍵盤(pán) key_matrix，通過(guò)對(duì)打開(kāi)的鍵盤(pán)設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)QscoketNotifer來(lái)監(jiān)控按鍵設(shè)備，通過(guò)信號(hào)與槽機(jī)制，建立該 QscoketNotifer與讀鍵盤(pán)函數(shù)ReadKeyboardData()的連接，當(dāng)key_matrix被激活時(shí)，就會(huì)觸發(fā)讀鍵盤(pán)函數(shù) ReadKeyboardData()。代碼如下：

　　notifier=new QSocketNotifier(key_matrix，QSock-etNotifier：：Read，this)；

　　connect(notifier，SIGNAL(activated(int))，this，SLOT(ReadKeyboardData()))；

　　在讀鍵盤(pán)函數(shù)ReadKeyboardData()中，調(diào)用矩陣鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的讀函數(shù)Read()來(lái)獲取按鍵值。為了使得按鍵值能夠傳送給應(yīng)用程序，要使用QWSKeyboardHandler類的成員函數(shù)processKeyEvent(int unicode，int keycode，int modifiers，bool isPress，bool autoRepeat)，各參數(shù)功能如下：

　?、賃nicode：按鍵的Unicode編碼，如數(shù)字1的unicode編碼為1，字母A的unicode編碼為A。如果該項(xiàng)為0，則為功能鍵Shift、Left、Right等；如果該項(xiàng)為0xFFFF，則只傳送鍵值keycode，不打印編碼。

　?、贙eycode：Qt中使用的按鍵名稱，如Qt：：Key_Backspace、Qt：：Key_Enter等。

　?、跰odifiers：Qt所支持的鍵盤(pán)組合鍵。

　　④isPress：判斷按鍵的狀態(tài)是“按下”還是“彈起”。

　?、輆utoRepeat：判斷本次事件是有自動(dòng)重復(fù)機(jī)制產(chǎn)生，還是由一個(gè)現(xiàn)實(shí)中的按鍵產(chǎn)生。

　　通過(guò)processKeyEvent()函數(shù)可以發(fā)送數(shù)字、小寫(xiě)英文、大寫(xiě)英文，但是目前Qt／Embedded上沒(méi)有中文輸入法，不能輸入中文。

　　2.3 Murphpinyin拼音輸入法的移植

　　Murphypinyin是目前為止基于Qt／Embedded的一個(gè)比較好的開(kāi)源中文輸入法，而且Murphypinyin帶有軟鍵盤(pán)，用戶可以通過(guò)觸摸屏輸入中文、英文、數(shù)字和符號(hào)等。對(duì)于Murphypinyin到Qt／Embedded的移植，網(wǎng)絡(luò)上有很多參考資料，這里不再作介紹。

　　但是將Murphypinyin應(yīng)用到手持終端上目前還有一個(gè)問(wèn)題：Murphypinyin帶有的軟鍵盤(pán)是標(biāo)準(zhǔn)的PC101鍵盤(pán)，按鍵數(shù)量很多。在對(duì)體積、重量要求很苛刻的手持終端上，觸摸屏本身的尺寸受到嚴(yán)重的制約，PC101鍵盤(pán)會(huì)占據(jù)觸摸屏的大部分顯示面積；而且單個(gè)按鍵所占面積很小，從而對(duì)觸摸屏的定位精度要求很高。然而觸摸屏本身受周?chē)h(huán)境的影響較大，很容易造成定位不準(zhǔn)。本系統(tǒng)將矩陣鍵盤(pán)映射到Murphypinyin上，通過(guò)矩陣鍵盤(pán)輸入中文、英文和數(shù)字，這樣在手持終端上可以使用普通的LCD，從而降低了系統(tǒng)成本、提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　首先考慮的問(wèn)題是：如何用鍵盤(pán)打開(kāi)Murphypinyin輸入法?這里可以修改Murphypinyin軟件包中的PinyinFrame.cpp文件中的：

　　boot QPinyinFrame：：filter(int unicode，int keycode，int modifiers，bool isPress，bool autoRepeat)

　　其中：if(!isHidden()&& isPress)語(yǔ)句用來(lái)判斷Murphypinyin輸入法是否已經(jīng)打開(kāi)并且有按鍵按下。如果是，則判斷當(dāng)前是中文模式、還是英文模式。中文模式則調(diào)用 GetKey(unicode，keycode)函數(shù)，根據(jù)輸入的拼音搜索漢字；英文模式則調(diào)用SendKey(unicode，keycode)函數(shù)發(fā)送大寫(xiě)或小寫(xiě)英文字母。如果unicode==9＆＆keycode==Qt：：Key_Tab，則進(jìn)行中英文切換。在這里可以添加判斷語(yǔ)句：if (keycode==Qt：：Key NumLock)。當(dāng)NumLock按鍵按下時(shí)，調(diào)用：QPinyinFrame：：sizeHint()和QPinyinFrame：：show()兩個(gè)函數(shù)來(lái)開(kāi)啟Murphypinyin輸入法界面。如果再次按下NumLock按鍵，則調(diào)用QPinyinFrame：：hide()來(lái)隱藏輸入法界面。

　　用鍵盤(pán)打開(kāi)Murphypinyin輸入法之后，可以通過(guò)鍵盤(pán)發(fā)送拼音字母來(lái)輸入漢字。通過(guò)發(fā)送unicode=9＆＆keycode==Qt：：Key_Tab來(lái)進(jìn)行中英文切換。

　　2.4按鍵復(fù)用

　　由于手持終端設(shè)備對(duì)自身的體積有嚴(yán)格的要求，為了縮小鍵盤(pán)的體積，本系統(tǒng)模仿手機(jī)鍵盤(pán)的布局，采用按鍵復(fù)用的方式來(lái)縮小鍵盤(pán)大小。將26個(gè)英文字母按字母表順序3個(gè)或4個(gè)一組依次排列在2～9這8個(gè)數(shù)字鍵上，并與阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行復(fù)用(見(jiàn)圖2)。

　　硬件上的簡(jiǎn)化必然導(dǎo)致軟件復(fù)雜度的增加。為了使得系統(tǒng)能夠在按下一個(gè)按鍵后自動(dòng)識(shí)別是數(shù)字、英文大寫(xiě)字母、英文小寫(xiě)還是拼音字母，需要修改 Qt／Embedded中qkeyboard_qws．cpp的QWSKEYMATRIXHandler：：ReadKeyboardData()函數(shù)。

　　當(dāng)有按鍵按下后，首先需要判斷當(dāng)前是處于何種模式：數(shù)字、拼音、小寫(xiě)英文還是大寫(xiě)英文模式，實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。通過(guò)NumLock按鍵和狀態(tài)標(biāo)志字English-Mode來(lái)進(jìn)行數(shù)字狀態(tài)和其他幾個(gè)狀態(tài)的切換。通過(guò)Tab按鍵來(lái)進(jìn)行中、英文模式的切換，通過(guò)CapsLock按鍵來(lái)進(jìn)行英文大小寫(xiě)字母的切換。

　　為了使一個(gè)按鍵能夠輸入不同的字符，本系統(tǒng)使用不同的key_ID值來(lái)標(biāo)識(shí)各個(gè)字符，這樣，每按一次鍵都是不同的。圖6是對(duì)于按鍵2的復(fù)用過(guò)程。根據(jù)不同的key_ID結(jié)合當(dāng)前所處的輸入模式，發(fā)送相應(yīng)的數(shù)字、小寫(xiě)英文或大寫(xiě)英文字符。

　　3? 總? 結(jié)

　　本文介紹了基于S3C2440的矩陣鍵盤(pán)的硬件設(shè)計(jì)方法和軟件的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)方法，通過(guò)將Murphpinyin開(kāi)源軟件包與Qt／Embeded自帶輸入法的融合，使用按鍵復(fù)用的策略，采用較少的按鍵，構(gòu)建了一款可輸入數(shù)字、中／英文的嵌入式鍵盤(pán)，并在S3C2440上實(shí)現(xiàn)。為手持終端提供了一種嵌入式鍵盤(pán)的解決方案。