[發明專利]矩陣電路及掃描方法

有效

• 申請號: 201310557817.4
• 申請日: 2013-11-11
• 公開（公告）號: CN103560796A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 陳平;陳萬;劉和興
• 申請（專利權）人: 物聯微電子（常熟）有限公司
• 主分類號: H03M11/20
• 分類號: H03M11/20
• 代理公司: 蘇州慧通知識產權代理事務所(普通合伙) 32239
• 代理人: 安紀平

技術領域

本發明涉及計算機輸入設備領域，尤其是涉及一種能夠避免按鍵或開關間的相互干擾，同時具有較小功耗的矩陣電路及掃描方法。

背景技術

矩陣電路不僅常用于電腦、手機、PDA等人機交互設備中，而且大量應用于工業的檢測。其優點在于可以用很少的微處理器的管腳就可以檢測大量的按鍵或開關狀態。

常見的N×M矩陣鍵盤電路，需要(N+M)個I/O管腳。在矩陣鍵盤電路中，N根行線和M根列線交叉放置形成N×M個矩陣交叉點，在每個交叉點都設置一個按鍵或開關，每根列線通過阻值元件上拉到電源。按鍵的兩端分別與相應的行線和列線連接，每根行線與一個I/O管腳連接。依次設置行線的I/O管腳為低電平輸入口，其他管腳保留高電平，當無按鍵按下時，列線與行線斷開，經由阻值元件上來到電源，列線呈高電平狀態；當有按鍵按下時，按鍵對應的列線與該行線連接獲得一低電平，進而確定按鍵所處的列，從而識別按鍵的位置，這樣就實現了用(N+M)個管腳，來檢測N×M個按鍵或開關。

但是這種電路，存在當有多個按鍵或開關同時閉合時，無法辨別的問題。圖1所示為常見的4×4的矩陣電路，包括4行、4列排列的4×4個按鍵S1-S16，4個電阻R1-R4，8個I/O管腳K1-K8的矩陣電路。通常采用行列掃描方法來確定按下的按鍵所在的行列位置。在掃描時，輪流將行線的I/O管腳輸出口設置為低電平，其他的輸入口設置為高電平；讀取列線的I/O輸入管腳的電平狀態，并根據輸入口發生的電平變化判斷所按的按鍵。例如，當按鍵S2閉合時，當第一行的管腳K1輸出低電平時，按鍵S2會將第2列的電壓接入第1行，從而在第2列的輸入管腳K6會輸出低電平，從而可以判斷是按鍵S2閉合。但是當按鍵S1，S5，S6同時閉合的情況下，會出現什么情況呢？當開始掃描時，第一行的管腳K1輸出低電平時，首先按鍵S1會將第一列的電壓接入第一行，使得第1列電壓拉低，同時按鍵S5的閉合，會使得第2行的電壓接入第1列，第2行的電壓也被拉低，同時按鍵S6的閉合，將第二列的電壓接入第二行，這樣第2列的電壓也被拉低。這樣在開始掃描時，在按鍵S1，S5，S6同時閉合時，第1行輸出低電平時，第2列會輸出低電平，也就是輸入管腳K6會檢測到低電平，會認為第1行第2列的開關，即按鍵S2閉合，但這時按鍵S2并沒有閉合。這樣就容易引起錯誤判斷。出現這種情況的組合很多，舉例只是其中一種。

專利號CN101860369、發明名稱為“矩陣鍵盤及其掃描方法”的專利文獻中，記載了一種優化的矩陣電路，通過在電路中接入二極管，使得行線和列線得以復用。掃描方法是依次設置該若干個I/O管腳為低電平輸出口，且對應設置除低電平輸出口之外的I/O管腳為輸入狀態，讀取各設置為輸入口的I/O口的電平狀態。這種矩陣電路僅僅減少了I/O管腳，但是對于多個按鍵或開關同時閉合時，容易引起錯誤判斷的問題并沒有得到解決。如圖2所示，為該專利文獻中記載的具體實施例的結構示意圖，在普通情況下，當開關S31閉合時，當第1行管腳K1輸出低電平，管腳K2-K4設置為輸入狀態，這時在管腳K3上可以檢測到低電平，從而判斷出第1列第3行的開關S31閉合。但是例如當開關S12、S32同時閉合時，當掃描開始，第1行管腳K1輸出低電平，管腳K2-K4設置成輸入狀態，這時開關S12將第2列的電平接入第1行，使得第2列I/O管腳P2的電平拉低，開關S32會將第3行的電平接入第2列，從而使第3行電平拉低，這時第3行檢測到低電平，會認為開關S31閉合，但是開關S31并沒有閉合，這樣就引起了微處理器的誤判。出現這種情況的組合很多，舉例只是其中一種。

可以看出，現有的矩陣電路，在多個按鍵或開關閉合的情況下會出現判斷錯誤的問題。在個人消費品上的人機交互的按鍵出現這樣的問題時，會給用戶不友好的輸入感受，工業應用上多個開關同時閉合的情況，更是常見，錯誤的判斷甚至可以引發嚴重的事故發生。

同時，前面提到的矩陣電路中，每列都通過阻值(圖1的電阻R1-R4，圖2的電阻R1-R5)元件上拉到電源，當開關閉合，當進行掃描時，行的管腳輸出低電平，使得阻值的上下端形成壓差，會消耗能量。在實際使用矩陣電路的嵌入式系統中，相當一部分是電池供電，功耗的控制是至關重要的。微處理器在不進行掃描時，往往進入休眠狀態。目前常見的微處理在休眠時，管腳保持低電平會更加省電，保持高電平會增加功耗。而上面提到的矩陣電路，在不進行掃描的時候行的管腳也要保持高電平，如果不保持高電平，在按鍵或開關閉合時，與上拉電阻以及電源形成回路，增加功耗。所以阻值元件和休眠時輸出高電平的管腳都會消耗能量。