一种PC键盘的革命性设计

1 引言

当电脑上别的配件都跟着摩尔定律越来越时髦的时候，键盘总是显得比较落寞，而“掌心键”的问世则将传统PC键盘的设计引领至一个全新的领域。掌心键，是放在单手掌中使用，对应于五个手指各有一个多功能按键，并通过五指同时组合操作，从而实现字符的输入；自带有点阵显示屏，通过其指示各种操作状态，考虑到用户使用习惯和人体特征，掌心键的外形设计大小适中，适合大众人群的手形，不论男女，皆可轻松的一手掌握，独特的按键凹槽设计将使手指的放位倍感舒适，而且降低了对坐姿的要求，同时支持左右手互换使用，且保证长时间使用也不易感到疲劳。

2 系统结构及工作原理

掌心键是通过五指组合方式进行输入，共有2⁵=32种组合，其中包括一种无任何键按下的组合，实际可用组合则为31种。为了设计中描述、编程方便，将五指对应一个5位二进制数的5个位，D₄D₃D₂D₁D₀，母指对应D₄位，食指对应D₃位，中指对应D₂位，无名指对应D₁位，小指对应D₀位，按下手指的位值为1，不按的位值为0，这样每次组合按键时产生了一个按键值n，将32种组合定义为K_m（m=0…31）。

为了单手能方便输入PC键盘的所有按键，首先要将PC按键分集，分为数字集、小写字母集、大写字母集、标点符集、编辑键集、功能键集等，表2-1列出了部分键集详细说明；输入时先选键集，再输入字符。在任何状态下都将K₃₁定义为集切换，然后按K_n（n=1…30）可选30种键集，再按键集下相应字符对应的K_n即可完成一个字符的输入。如果接下来的字符是同一个键集的，就不必再切换键集，直接输入即可，这样可提高输入速度。输入任一个字符最多按3次键，即先按集转换，再选子集，然后输入指定字符，大部分时间都只需一次按键即可。

子集中以字母集用键值K_N最多，从K₁到K₂₆，所有子集中的K₂₇、K₂₈、K₂₉、K₃₀很少用到，当前统一定义成最常用的全局通用功能键，就如集切换K₃₁；分别定义为K₂₇：空格，K₂₈：回删，K₂₉：后移，K₃₀：回车。为了方便使用，用户可以自己配置，重新定义以上键值的功能。

表2-1：键集分类表

对于PC键上多个键组合操作的情况，这里设置一个本地KeepLock状态，有三个键处理该状态，KeepStart是进入KeepLock，KeepRep是保持此前按的所有键不松开，称为重复键组KeepGroup，其后每按一次键与KeepGroup组合一起发给PC，直到KeepEnd结束KeepLock状态。比如在文本编辑时，要选择光标后的两个字符，在PC上应按两次Shift+ArrowR，操作过程是：KeepStart、ShiftL、KeepRep、ArrowR、ArrowR、KeepEnd；如果要输入两次Ctrl+Alt+Del，过程是：KeepStart、CtrlL、AltL、KeepRep、Del、Del、KeepEnd。

3 硬件设计

掌心键系统硬件结构如图3-1所示。硬件以PHILIPS公司含ARM7核的LPC2114单片机为中心，具有背光、黑白128X64点阵LCD屏，五个独立式多功能按键，配有PS2接口。

图3-1系统硬件结构图

电源来自PS2键盘接口，或电池，5V电源经过LM1117-3.3和LM1117-1.8稳压后供给各部分电路。显示部分选用COG的128X64点阵黑白LCD液晶，以I/O方式接入LPC2114单片机，LCD用来提示各种状态，以及输入的信息，亦用于脱机录入的信息显示。MAX3232构成RS-232串行通信接口，实现掌心键与PC机之间资料相互传送。五个独立按键都以外部电平中断方式输入，没有按键时，系统进入节电状态，只有按键时系统才短时工作，在脱机状态下工作时，电池供电的节电问题显得非常重要。设置蜂鸣器是为了协助提示按键操作。而JTAG接口是保留给软件开发和升级时使用。

正确检测掌心键的按键操作是硬件设计的重点。普通按键检测时，可以用软件方法处理按键机械抖动问题，程序过滤按键前后20ms时间即可解决抖动。而掌心键是多个键组合按下实现单PC键，不但要对每个按键去抖动，还要解决多键同时按下的时间差问题。刚开始使用掌心键时，操作速度较慢，随着使用时间的延长，按键速度越来越快，这样就有一个熟练的过程。为此，将去抖动的时间设成可配置的，设为JitterTime，当有操作时，保持JitterTime时间键Kn没有变化，即认为是Kn，从一个Kn变为Km，也是用JitterTime时间去抖动，当Km=0时就表明没有任按键操作。JitterTime的范围从20ms到2000ms。

4 软件设计

软件以uCos实时嵌入式操作为核心，按功能分为多个任务，软件采用C语言编写，主要完成两部分功能，其一是本地按键和显示，其二是将按键变为PC键扫描码通过PS2接口送给PC机。软件结构如图4-1所示。

图4-1 系统软件结构

算法的关键是对按键值的处理。由于PC键盘中的每个键都具有通码（接下）和断码（松开），产生的键盘扫描码由多个字节组成，而掌心键是多次操作才能构成PC键盘的单次操作，所以在算法中要设置很多状态变量来记忆操作过程，在完成一个PC键操作后才通过PS2接口输出通码或断码。下面给出了详细的原码程序和注释。

首先说明以下重要的全局变量：

char KeySet; //存入子键集号，因为不同子集的Kn值代表不同的键

char KeyStatus; //记忆处理状态，在不同阶段Kn有不同的意义

char …….

函数KeyMessage( )将按键原始值分集处理，分集后的值调用函数KeySend( )保存或发送，函数KeySendOn( )发送通码的扫描码，而函数KeySendOff( )发送断码的扫描码。

void KeySend( unsigned char OnCode ) //发送通码

{ if( KeepLock==1){ //保存组合通码KeepGroup

KeepGroup[KeepPtr++] = OnCode;

return; //只保存，不发送

}

If(KeepLock==2)……..

KeySendOn( OnCode ); //发送通码的扫描码

}

void KeySendOn( unsigned char OnCode )

{ KeyOnCodeOff = 0; //设标志，要求发断码

KeyOnCode = OnCode; //记忆通码，以便发相应断码

switch( KeyOnCode ){ //根据KeyOnCode发送通码

OnCode_A: Ps2Out(0x1C); break;

OnCode_ArrowR: Ps2Out(0xE0); Ps2Out(0x74); break;

……..}}

void KeySendOff( void ) //发送断码的扫描码

{ if( KeyOnCodeOff ) return; //没发过通码，所有没有断码

KeyOnCodeOff = 1; //防止连续发断码

switch( KeyOnCode){ //根据最后发送的通码KeyOnCode补发断码

OnCode_A: Ps2Out(0xF0); Ps2Out(0x1C);

………}}

void KeyMessage( unsigned char Kn) //Kn是原始按键值

{ if( Kn==31){ KeyStatus=1; return; }

if( KeyStatus==1){ if(Kn != 0 ){ KeySet=Kn; KeyStatus=2; } return; }

if( KeyStatus==2){

if( Kn==0){ KeySendOff(); return; }

if( KeySet==1){

switch( Kn ){

1: CapsLock =! CapsLock; KeySend(OnCapsLock); break;

2: NumLock=! NumLock; KeySend(OnNumLock); break;

3: ScrollLock=!ScrollLock; KeySend(OnScrollLock); break;

………… //其它情况处理同上

}

return;

}

if(KeySet==2){ //处理数字 }

if(KeySet==3){ //处理字母 }

…………}}

5 结束语

以目前PC键盘设计中比较突出的布局设计,反手操作，坐姿，坐高等问题为中心，以模拟试验的方法获得掌心键设计的基本原则，它非常适用于现代的青少年人群，在部分学生用户中实际测试，结果一周左右的时间，他们就能熟练操作掌心键，实现单手快速输入。此外，该方案还可以用到大部分的掌上移动设备中，比如PDA和手机。掌心键的进一步完善，是增加按键的上推下拨功能，这样将一个键变为三个键，具有4⁵=1024种组合值，选择其中部分容易操作的组合，即可实现更快的输入速度；配合拇指的轨迹球使用，单手即可实现鼠标和键盘双操作。

本文作者的创新点：掌心键设计充分体现了后PC时代“功能主导型”这一特质，它不仅具备传统键盘的所有功能，且可将其置于手掌中，单手五键组合操作，并具有脱机输入文本文件，联机拷贝文件的功能，该设计具有良好的市场前景和推广应用价值。掌心键不再受到传统PC键盘置放位置的约束，而成为真正的可随意移动的掌中键盘，相信在不久的将来，掌心键必将成为PC用户的“掌中乾坤”。

参考文献

[1] Amorim ,Vitor,andJSimoes,"ADCcircuitoptimizeskeyencoding,"EDN,Feb4,1999,pg101,www.edn.com/article/CA56657

[2] 张普，《字符编码键盘输入文集》 北京：中国标准出版社，1997

[3] 刘勇　王玉晶．一种嵌入式PC非标准键盘的设计．微计算机信息，2007，1-2：87-88

[4] 郑炜，单片机系统中PS/2键盘驱动程序设计，《单片机与嵌入式系统应用》，2005.04