矩陣電路及掃描方法
【專利摘要】本發明揭示了一種矩陣電路及掃描方法，用于準確檢測按鍵或開關的狀態，包括N根行線(L1，……Ln)、N根列線交叉排列的N×N個按鍵(S11，……Snn)的矩陣電路，其中N為大于零的自然數，還包括N×N個二極管(D11，……Dnn)，所述二極管包括陽極和陰極，所述每根行線和每根列線一端均設置一I/O管腳，所述行線與所述列線交錯放置形成N×N交叉點，所述每個交叉點上設置一按鍵和一二極管，所述每個按鍵的一端接入所述行線的I/O管腳，另一端接入所述二極管的陽極，所述二極管的陰極接入所述列線的I/O管腳。本發明可以避免按鍵或開關間的相互干擾，支持多個按鍵或開關的同時閉合時的檢測，同時運行時具有較少功耗，更有利于嵌入式系統的使用。
【專利說明】矩陣電路及掃描方法
【技術領域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]常見的NXM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NXM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NXM個按鍵或開關。
[0004]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4X4的矩陣電路，包括4行、4列排列的4X4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Kl輸出低電平時，按鍵S2會將第2列的電壓接入第I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SI，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Kl輸出低電平時，首先按鍵SI會將第一列的電壓接入第一行，使得第I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I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SI，S5，S6同時閉合時，第I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I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。
[0005]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I行管腳Kl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I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I行管腳Kl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I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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]綜上所述，現有的矩陣電路主要存在有兩個問題，一是當多個按鍵同時按下時，會出現錯誤判斷，二是功耗的控制需要提高。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于克服現有技術存在的缺陷，提供一種矩陣電路，具有避免多個按鍵或開關同時閉合時容易判斷錯誤的問題，同時降低了電路中的功耗。
[0010]為實現上述目的，本發明提出如下技術方案:一種矩陣電路，其包括N根行線(L1,……Ln)、N根列線交叉排列的NXN個按鍵(Sn，……SJ的矩陣電路，其中N為大于零的自然數，還包括NXN個二極管(Dn，……DJ，所述二極管包括陽極和陰極，所述每根行線和每根列線一端均設置一 I/O管腳，所述行線與所述列線交錯放置形成NXN交叉點，所述每個交叉點上設置一按鍵和一二極管，所述每個按鍵的一端接入所述行線的I/O管腳，另一端接入所述二極管的陽極，所述二極管的陰極接入所述列線的I/O管腳。
[0011]優選地，所述每一個按鍵都連接著一個二極管，隔離不同按鍵間的影響。
[0012]同一列交叉點上的所述二極管共陰極連接。
[0013]所述二極管為保證信息單向流動的開關二極管。
[0014]掃描時，依次設置相應行線上的I/O管腳為高電平輸出，其他行線的管腳保留低電平。
[0015]掃描時，設置所述列線上的I/O管腳為下拉輸入模式。
[0016]不掃描時，所述行線與所述列線的I/O管腳的電平均維持在低電平狀態。
[0017]當無按鍵按下時，所述列線與所述行線斷開，且所述列線的I/O管腳上沒有電平；當有按鍵按下時，按鍵所對應的列線與行線接通，相應列線的I/o管腳獲得一高電平。
[0018]本發明還揭示了一種矩陣電路的掃描方法，包括以下步驟:[0019]掃描時，依次設置相應行線上的I/O管腳為高電平輸出，其他行線的管腳保留低電平，設置所述列線上的I/o管腳為下拉輸入模式；
[0020]根據所述列線上的I/O管腳的電平狀態，判斷相應列線上的按鍵是否有按鍵按下；
[0021]當掃描到所述列線上的I/O管腳的電平狀態為高電平時，則根據行線和列線準確識別按鍵所在的位置。
[0022]優選地，不掃描時，初始化所述行線與所述列線的I/O管腳的電平在低電平狀態。
[0023]本發明的有益效果是:(I)每一個按鍵或開關均有一二極管相連，使得每個開關的電極不會影響到其他的按鍵或開關，這樣在有多個按鍵或開關同時按下時，就不會出現誤判的情況；(2)本發明的矩陣電路沒有電源和上拉阻值元件，所以也就不存在阻值元件消耗電能的問題，同時在不進行掃描的時候，可以維持I/O管腳的電平在低電平狀態，使得矩陣電路的功耗更低，更適用于嵌入式系統的應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是常見的4X4的矩陣電路圖；
[0025]圖2是現有的優化的4X4的矩陣電路圖；
[0026]圖3是本發明的矩陣電路的電路圖；
[0027]圖4是用于本發明的矩陣電路進行掃描時的時序圖；
[0028]圖5是本發明實施例4X4的矩陣電路的電路圖；
`[0029]圖6是用于本發明實施例的矩陣電路進行掃描時的時序圖。
【具體實施方式】
[0030]下面將結合本發明的附圖，對本發明實施例的技術方案進行清楚、完整的描述。
[0031]本發明所揭示的一種矩陣電路，用于準確檢測按鍵的閉合或開啟狀態。如圖3所示，包括N根行線L1,……Ln，N根列線、NXN個按鍵或開關S11,……Sm，NXN個二極管D11,……Dm、N個行I/O管腳K1，……Kn和N個列I/O管腳P1，……Pn，其中N為大于零的自然數。所述N根行線與所述N根列線交錯放置形成NXN個交叉點，所述每個交叉點上設置一按鍵和一二極管，所述每個按鍵的一端接入所述行線的I/O管腳，另一端接入所述二極管的陽極，所述二極管的陰極接入所述列線的I/O管腳，即按鍵或開關S11,……SmJA一端依次接入行線的管腳K1，……Kn，另一端依次接入二極管D11,……Dnn的陽極，所述二極管D11,……Dnn的陰極依次接入列線的管腳Ρ1，……Pn。
[0032]其中，同一列交叉點上的所述二極管共陰極連接，即二極管D11,……Dln的陰極均接入到第一行線的I/o管腳，二極管D21,……D2n的陰極均接入到第二行線的I/O管腳，依此類推，二極管Dnl，……Dnn的陰極均接入到第η行線的I/O管腳。
[0033]如圖4所示，掃描時，與傳統的行線和列線電平設置相反，本發明依次設置行線的I/o管腳為高電平輸出，其他行線的管腳保留低電平，列線的I/O管腳設置為下拉輸入模式。當無開關或按鍵按下時，列線與行線均斷開，并且列線的I/o管腳上沒有電平；當有按鍵按下時，按鍵對應的列線與該行線連經按鍵或開關與二極管接通，相應列線的I/o管腳獲得一高電平，再通過行線和列線確定按鍵或開關所處的列線，從而準確識別按鍵的位置。[0034]不進行掃描時，本發明在列線的I/O管腳的電平判斷上，也和現有的矩陣電路判斷邏輯相反。本發明在列線的I/o管腳上檢測到高電平時，會認為有按鍵或開關閉合。現有的矩陣電路上因為有上拉電源的存在，所以在列線的I/o管腳上檢測到低電平時才認為有按鍵或開關閉合。
[0035]由于每一個按鍵或開關均有一二極管相連，使得每個開關的電極不會影響到其他的按鍵或開關，這樣在有多個按鍵或開關同時按下時，就不會出現誤判的情況了。
[0036]同時這種矩陣電路沒有電源和上拉阻值元件，所以也就不存在傳統的矩陣電路中的阻值元件消耗電能的問題。同時在不進行掃描的時候，可以維持I/O管腳Kl-Kn和Pl-Pn的電平在低電平狀態，使得本發明的矩陣電路的功耗更低。
[0037]以4X4矩陣電路為例，進一步對本發明的矩陣電路及掃描方法作詳細介紹。
[0038]如圖5所示的4 X 4矩陣電路的電路圖，包括4根行線L1，L2，L3，L4，4根列線、4 X 4個按鍵或開關S11,……S44,4X4個二極管D11,……D44、4個行線I/O管腳K1，K2，K3，K4和4個列線1/0管腳？1沖2，？3，？4，所述按鍵或開關511，……S44的一端依次接入行線的I/O管腳Κ1，Κ2，Κ3，Κ4，另一端依次接入二極管D11,……D44的陽極，所述二極管D11,……D44的陰極依次接入列線的管腳Ρ1，Ρ2，Ρ3，Ρ4。
[0039]其中，同一列交叉點上的所述二極管共陰極連接，即二極管Dn，D13, D13, D14的陰極均接入到第一行線的I/O管腳，二極管D21, D22, D23, D24的陰極均接入到第二行線的I/O管腳，二極管D31, D32, D33, D34的陰極均接入到第三行線的I/O管腳，二極管D41, D42, D43, D44的陰極均接入到第4行線的I/O管腳。
[0040]如圖6所示，掃描時，依次設置行線的I/O管腳Κ1-Κ4為高電平輸出，其他行線的I/o管腳保留低電平，列線的I/O管腳Ρ1-Ρ4設置為下拉輸入模式。當無開關按鍵按下時，列線與行線斷開，列線的I/O管腳上為低電平；當有按鍵按下時，按鍵對應的列線與該行線經開關和二極管接通，按鍵對應的列`線獲得一高電平，再通過行線和列線確定按鍵所處的列，從而識別按鍵的位置。例如當按鍵或開關Sll的開關閉合時，在行線I/O管腳Kl輸出高電平，按鍵或開關Sll會將第I行線的電平經二極管Dll接入第I列線，這樣在第I列線的I/o管腳Pl會檢測到高電平。這樣通過判斷可以確定按鍵或開關Sll閉合。假設按鍵或開關Sll并沒有閉合，閉合其周圍的按鍵或開關S12，S22，S21，在開始掃描時，第I行線的I/O管腳Kl輸出高電平時，按鍵或開關S12會把第I行線的電平接入到第2列線，但是由于二級管D22，D21的存在，即使閉合開關或按鍵S21、S22，也無法把第2行線的電平接入到第I列線。這樣按鍵或開關Sll周圍的三個開關閉合也不會導致第I列線的I/O管腳輸出高電平，從而不會出現誤判按鍵或開關Sll關閉。同理，任何開關的閉合，也不會影響到開關的判斷。
[0041]同時，本實施例中也沒有電源和上拉阻值元件，所有也就不存在傳統的矩陣電路中的阻值元件消耗電能的情況發生。同時在不進行掃描的時候，維持I/O管腳K1-K4和I/O管腳P1-P4的電平在低電平狀態，使得功耗更低。
[0042]本發明的技術內容及技術特征已揭示如上，然而熟悉本領域的技術人員仍可能基于本發明的教示及揭示而作種種不背離本發明精神的替換及修飾，因此，本發明保護范圍應不限于實施例所揭示的內容，而應包括各種不背離本發明的替換及修飾，并為本專利申請權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種矩陣電路，包括N根行線(L1,……Ln)、N根列線交叉排列的NXN個按鍵(S11,……SJ的矩陣電路，其中N為大于零的自然數，其特征在于，還包括NXN個二極管(D11,……Dnn)，所述二極管包括陽極和陰極，所述每根行線和每根列線一端均設置一 I/O管腳，所述行線與所述列線交錯放置形成NXN交叉點，所述每個交叉點上設置一按鍵和一二極管，所述每個按鍵的一端接入所述行線的I/O管腳，另一端接入所述二極管的陽極，所述二極管的陰極接入所述列線的I/O管腳。
2.根據權利要求1所述的矩陣電路，其特征在于，所述每一個按鍵都連接著一個二極管，隔離不同按鍵間的影響。
3.根據權利要求1所述的矩陣電路，其特征在于，同一列交叉點上的所述二極管共陰極連接。
4.根據權利要求1所述的矩陣電路，其特征在于，所述二極管為保證信息單向流動的開關二極管。
5.根據權利要求1所述的矩陣電路，其特征在于，掃描時，依次設置相應行線上的I/O管腳為高電平輸出，其他行線的管腳保留低電平。
6.根據權利要求1所述的矩陣電路，其特征在于，掃描時，設置所述列線上的I/O管腳為下拉輸入模式。
7.根據權利要求1所述的矩陣電路，其特征在于，不掃描時，所述行線與所述列線的I/O管腳的電平均維持在低電平狀態。
8.根據權利要求1所述的矩陣電路，其特征在于，當無按鍵按下時，所述列線與所述行線斷開，且所述列線的I/O管腳上沒有電平；當有按鍵按下時，按鍵所對應的列線與行線接通，相應列線的I/O管腳獲得一高電平。`
9.根據權利要求1所述的矩陣電路的掃描方法，其特征在于，包括以下步驟: 掃描時，依次設置相應行線上的I/o管腳為高電平輸出，其他行線的管腳保留低電平，設置所述列線上的I/o管腳為下拉輸入模式； 根據所述列線上的I/o管腳的電平狀態，判斷相應列線上的按鍵是否有按鍵按下； 當掃描到所述列線上的I/o管腳的電平狀態為高電平時，則根據行線和列線準確識別按鍵所在的位置。
10.根據權利要求9所述的掃描方法，其特征在于，不掃描時，初始化所述行線與所述列線的I/o管腳的電平在低電平狀態。
【文檔編號】H03M11/20GK103560796SQ201310557817
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】陳平, 陳萬, 劉和興 申請人:物聯微電子(常熟)有限公司