在單片機應用系統中，存在多種形式的外部數據輸入接口界面，例如RS-232C串行通信、鍵盤輸入等[1,4] 。其中利用鍵盤接口輸入數據，是實現現場實時調試、數據調整和控制最常用的方法。單片機的外圍鍵盤擴展電路有多種實現方式，例如直接利用I/O接口線或外接8255A接口芯片，配合適當的接口管理程序，就可以實現外圍鍵盤擴展功能。但是，在這些方法中，鍵盤擴展電路需要占用單片機的資源對按鍵進行監控和處理，這對要求高實時性處理的單片機系統是不現實的。
為了解決這一問題，可以使用專用鍵盤接口芯片(例如Intel8279) [2]來組建鍵盤子系統。然而，這類專用鍵盤接口芯片在使用靈活性方面尚有欠缺，尤其當用戶需要實現某些特定功能時，其缺點更為明顯。針對上述問題，本文提出一種利用復雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)設計技術[3]實現專用鍵盤接口芯片的方案。
1 系統原理
圖1是單片機系統中鍵盤子系統的構成原理框圖。其中鍵盤接口芯片KB-CORE是該子系統的核心部分，它應具備如下功能：第一，產生按鍵掃描時序，并進行硬件去抖動。如果有按鍵按下，實現按鍵編碼、中斷處理等功能。第二，可以區分處理數字鍵和功能鍵。數字鍵將由接口芯片暫存，而當功能鍵被按下時申請CPU中斷處理；對多個按鍵同時按下，按一定的編碼優先級處理。第三，提供與MCS-51系列單片機兼容的接口，單片機可以讀取芯片中保存的數據或功能代碼。第四，提供數據顯示接口，可以直接驅動4位七段LED數碼管，并進行動態掃描顯示。
按鍵根據鍵盤子系統的服務對象擬設置了數字鍵(0~9)、功能鍵(ROW、COL、DAT)、清零鍵(CLR)共14個，排成4×4的矩陣，有兩個未定義。
2 專用鍵盤接口芯片功能結構設計
根據上述專用鍵盤芯片KB-CORE的功能要求，圖2示出本芯片內部應有的結構框圖。其工作原理如下：(1)鍵盤掃描控制及編碼電路中內含一個環形計數器。該計數器計數輸出至KSL [0~3]端作為鍵盤掃描信號。每當掃描信號發生變化時，鍵盤掃描控制器從KRL[0~3]端讀入某一行按鍵的狀態信號。如果沒有按鍵被按下，則掃描下一行；如果有按鍵被按下，則控制器鎖定被掃描行，并延遲約10ms去抖動，然后再次掃描被鎖定行以確定按鍵是否誤讀。如果按鍵被證實按下，則一直等待直至用戶松開該鍵。與此同時，數字鍵碼將被保存到先進先出存儲器，功能鍵則直接產生中斷請求信號IRQ，通知CPU讀取鍵碼DBO[0~7]。(2)FIFO RAM中數據容量為16位。每4位對應一個字形符，所以七段LED數碼管需要4位。(3)掃描發生器一方面產生LED的位選信號DSL[0~3]，另一方面產生掃描顯示輸出控制電路的位數據選通信號。掃描顯示輸出控制電路根據位數據選通信號讀取FIFO RAM中相對應的數據，然后送七段譯碼電路輸出DP[0~6]驅動LED顯示屏的段選信號電極。(4)接口控制電路一方面用來識別CPU的讀時序；另一方面用來對地址信號線A1A0譯碼，實現對輸出數據的選擇。若A0A1="00"，則輸出FIFO RAM中的低字節數據；若A0A1="01"，則輸出FIFO RAM中的高字節數據；若A0A1="10"，則輸出控制數據(表明ROW、COL、DAT中哪一個被按下)；若A0A1="11"，則不輸出FIFO RAM中的任何數據。
3 專用鍵盤接口芯片核心部分的狀態描述與實現
為了實現上述專用鍵盤接口芯片功能結構，利用可編程邏輯技術對各個功能塊進行邏輯時序描述和實現。由于鍵盤掃描控制和去抖的邏輯時序設計較復雜并具典型性，因此下面將對鍵盤掃描控制和去抖部分的設計思想進行介紹。
鍵盤掃描時序的基本原理[4]可以用圖3所示的狀態圖表示。狀態圖的輸入變量為RST(復位)、KEY-PRESS(有按鍵)、TIMER-OVER(去抖動延時結束)；輸出變量包括EN-SCAN(掃描行轉移)、EN-CODED(鍵盤編碼啟動)、START-TIMER(開啟去抖動延時)。從圖3中知道，狀態S０→S1→S2為按鍵掃描狀態鏈，狀態S3→S4→S5為去抖延時狀態鏈，狀態S6為按鍵保持期。當按鍵被按下時，進入啟動(S3)去抖延時狀態鏈；去抖延時結束后(S5)，若按鍵沒有按下則恢復掃描狀態鏈(S0)；若按鍵確認被按下則進入保持期(S6)，并輸出按鍵編碼維持至按鍵松開。
根據狀態圖3和上述的狀態轉移描述，進行鍵盤掃描控制電路的設計，結果如圖4所示。其中H3是6位循環移位寄存器，由時鐘CLK觸發實現狀態移位。移位寄存器的輸出Q0~Q5分別代表鍵盤掃描控制電路的狀態S0~S6，當然它們并非一一對應，但實現的功能相同。值得一提的是，如果專用鍵盤芯片KB-CORE的外部時鐘CLK來自單片機的ALE信號(如圖1所示)，當單片機時鐘為6MHz時，則專用鍵盤芯片KB-CORE的外接時鐘為1MHz的方波信號，信號周期為1μs。如果將該時鐘信號經過一個分頻器，使其輸出的信號周期約為Tclk=1μs×212≈4ms，然后再作為H3的時鐘信號。這意味著鍵盤掃描控制電路約4ms掃描一行按鍵。如果H3中的Q2態沒有被使用，則可以實現約8ms的去抖動延時。通過這樣的設計，可以免除延時計數器，簡化電路。
4 專用鍵盤接口芯片的實現
根據實時數據校正系統的設計要求，使用了34個自定義I/O引腳和PC44封裝的CPLD來實現專用鍵盤接口芯片KB-CORE。芯片型號的選擇依據綜合所需要的宏單元(Macrocells)個數決定。如果借助硬件描述語言VHDL[5]對上述設計進行描述，綜合結果需要約140個宏單元；如果改用原理圖輸入方式，則只需約60個宏單元。因此選用XC9572芯片可以滿足上述專用鍵盤接口芯片KB-CORE的要求。實際使用如圖1和圖2所示，操作結果表明鍵盤接口芯片性能穩定。