阅读说明：本技术 一种基于国产化微控制器的可编程显示按键阵列装置 (Programmable display key array device based on domestic microcontroller ) 是由 阎哲 袁晓光 常玉增 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于国产化微控制器的可编程显示按键阵列装置,涉及信息安全系统技术领域。本发明可以极大减少设备按键数量,从而有效降低整台设备成本和减少操作台面积。本发明使得当前设备中按键的固定显示内容和固定开关功能,都可以被编程修改。这种使用方法,可以实现按键复用,即一个按键实现多种功能,有效的减少了传统设备中按键太多的缺点,极大地降低了设备成本和对操作台面空间的占用,增加了每个按键的使用率。(The invention relates to a programmable display key array device based on a domestic microcontroller, relating to the technical field of information security systems. The invention can greatly reduce the number of keys of the equipment, thereby effectively reducing the cost of the whole equipment and reducing the area of the operating floor. The invention can make the fixed display content and the fixed switch function of the key in the current equipment be programmed and modified. The use method can realize key reuse, namely one key realizes multiple functions, effectively reduces the defect of too many keys in the traditional equipment, greatly reduces the equipment cost and the occupation of the space of an operation table top, and increases the utilization rate of each key.)

一种基于国产化微控制器的可编程显示按键阵列装置

技术领域

本发明涉及信息安全系统技术领域，具体涉及一种基于国产化微控制器的可编程显示按键阵列装置。

背景技术

当前信息技术高速发展，国产化元器件在信息安全系统中越来越重要，尤其是在信息安全和操作安全要求高的使用环境。除此之外，为防止元器件禁运引起的卡脖子问题，在国产设备上使用国产元器件也非常有必要。本发明选用了一颗国产化元器件厂商兆易创新的一款ARM架构的Cortex-M4内核的处理器作为整个装置的控制核心。

无论是工业显控设备还是军用设备，按键都被大量使用，主要用来控制一些关键信号，比如设备上断电开关，发射开关，拨打应急电话等。这些按键都是具有特定功能的开关。当前主流的使用方法是事先给按键定义功能，然后由按键厂家刻上相应文字作为功能标识。同时为了便于处理核心接收对应的控制信号完成操作，需要在电路板上固化处理器与按键之间的连接关系，其功能较为固定。另外，对于控制信号较多的使用环境，还需将多个按键组成按键阵列以方便人员操作。

对于现有按键控制环境，其使用方法可优化的方面有：1.减少按键个数2.按键功能及标识可以被修改。而这两方面问题，都可以随着本装置设计的可编程显示按键阵列来实现：1.可以对按键功能标识进行修改或重定义，无论动态还是静态。2.按键功能可以随着标识的新功能适应性改变，达到标识和功能的统一。这样，经过优化的按键阵列就可以被多功能复用，从而达到一键多用，减少操作台的按键个数的目的。同时也使空间有限的操作台可留出更多位置放置其他装置。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何实现一种可编程显示按键阵列装置，用于实现按键开关功能，用户可以通过外部主控计算机编程对其显示内容和按键功能进行自定义。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于国产化微控制器的可编程显示按键阵列装置，包括：

可显示矩阵按键阵列：由多个按键组成，每个按键都用于接收微控制器传送过来的命令及数据进行操作及显示，可被按下或弹起完成基本的开关操作；其中每个按键都是带OLED屏的可显示按键，该阵列中有一个设置为菜单切换按键，当按下该按键后，按键矩阵的功能将完成切换，上电后，每个按键都需要在微控制器控制下完成初始化并显示初始化图片；可在微控制器控制下实现按键亮灭；开关按下或弹起得开关状态可被微控制器监测，并由微控制器生成命令码发送给主控计算机完成对应操作；

Cortex-M4内核的微控制器：用来控制所述多个按键；

SD卡，用来存储各个按键需要显示的图形信息内容。

优选地，所述微处理器有外设：UART、SPI总线、SDIO控制器、GPIO串口、USB接口；

UART：微控制器将按键开关的键位信息解析后，生成约定的命令码，经过UART接口发送给显控装置的主控计算机，由所述主控计算机解析信息后完成对应操作；

SPI总线：微控制器用SPI总线来控制所有***按键，该SPI总线负责向每个按键发送命令信息和数据信息；

SDIO控制器：微控制器经SDIO控制器读写内存卡存储的各个按键显示图片数据，SD卡的内容可以被主控计算机经USB接口读写；

GPIO串口：微控制器用来负责监测所有按键按下或弹起的信息即开或关的状态，每个按键按下后，微控制器都会根据定义的功能生成对应的命令码，通过通信串口GPIO串口传给显控装置的主控计算机；微控制器通过SPI总线，GPIO串口实现与可显示矩阵按键阵列的通信与控制；

USB接口：微控制器用来与主控计算机连接，可将SD卡存储的图片文件进行读写；主控计算机可通过USB接口更换SD卡中的图片信息；

优选地，在微控制器内部存放控制程序，用于功能控制和匹配不同工作菜单的键位命令命令码生成，在微控制器和主控计算机之间还有调试串口，调试串口用于更新微控制器中的控制程序，包括对按键的初始化及按键定义解析功能，用户可用该调试串口完成对程序的修改更新；

优选地，还包括电源，用来将外部供给的基准电压进行二次变压分解为装置硬件所需的各种电压。

优选地，多个按键的SPI总线并行连接在微控制器的SPI总线上，每个微控制器可连接的按键个数最大值取决于SPI总线的负载能力以及可用GPIO引脚数，在SPI总线上传输的是操作命令或图像数据，其通信过程遵守SPI通信规范，另外，每个按键还有一根命令或数据使能信号也并行连接到微控制器的一GPIO引脚，用于标识SPI总线上传输的数据是数据还是命令：当该使能信号为高，SPI总线上传输的是一按键需要显示的图像数据；当该使能信号为低，SPI总线上传输的是命令；按键可依据命令完成自行初始化、显示、亮起关灭操作。

优选地，每个按键的开关引脚，一端上拉高电平或者下拉低电平，另一端连接到微控制器的GPIO上，由GPIO对按键按下或弹起做状态监控，并且所有开关的上拉或者下拉都是并连在一起的，当该按键显示内容改变后，GPIO检测的状态判断没有变化，只是微控制器根据键位信息生成的命令码会和按键显示的新内容对应一致，在按键阵列中，将其中一个按键设置为菜单切换按键，当其被按下后，整个按键矩阵的除菜单切换按键之外的各按键显示内容完成切换，同时键位解析及命令码生成也完成对应关系的切换。

优选地，SD卡连接在微控制器的SDIO接口，其中存储着按键需要显示的图片数据，这些数据分别存储在几个文件夹下，每个文件夹对应着一个按键矩阵状态下的所有按键需要显示的图片文件，因此SD卡有多个文件夹；每个文件夹下有当前状态下所有按键需要显示的图片数据，在装置上电后，按键开始初始化，微控制器通过SDIO接口从初始化文件夹读出每个按键需要显示的图片信息，并通过SPI总线发送给各个按键，使按键完成显示，此时键位解析及命令码生成函数也是和当前状态一致的，当需要切换按键功能时，按下菜单切换键，微控制器通过SDIO接口从对应状态文件夹读出每个按键需要显示的图片信息，并通过SPI总线发送给对应按键完成显示，同时键位解析及命令码生成函数也完成切换，并和当前显示内容相对应。

优选地，SD卡中的内容可通过主控计算机和该装置连接的USB接口完成修改，该装置在主控计算机的USB总线下被识别为U盘，只需将对应状态的文件夹下的图片文件进行修改即可，装置重新上电后即可使用新的图片，文件夹中的文件按照.bin的格式存放，不同格式的图片需要首先完成格式转换。

本发明又提供了一种所述的装置的工作方法，包括上电初始化显示操作，该操作包括以下步骤：

S10：上电步骤：装置上电；

S11：处理器初始化步骤：微控制器加载工作程序；

S12：微控制器读取数据步骤：微控制器读取按键初始化需要显示的图片数据；

S13：显示按键初始化命令步骤：微控制器通过SPI片选信号、命令数据信号向按键发送初始化命令；

S14：显示按键初始化数据步骤：微控制器发送按键需要显示的图片数据；

S15：显示按键点亮步骤：在图片数据发送完成后微控制器发送按键点亮命令；

S16：显示按键循环初始化步骤：在当前按键完成显示操作后，继续进行下一按键初始化操作，直到所有按键完成初始化；

S17：微控制器监控步骤：微控制器工作在按键状态监控状态，监控函数为STATE0。

本发明还提供了一种所述的装置的工作方法，包括按键按下处理操作，该操作包括以下步骤：

S20：按键按下步骤：按键阵列有按键按下；

S21：键位接收步骤：微控制器接收按下的键位号；

S22：切换键及普通键判断步骤：微控制器根据键位号，判断按下的是否是按键功能切换键，如果是切换键则执行步骤S23，如果不是则执行步骤S25；

S23：按键初始化步骤：微控制器对按键按照S12～S16重新进行初始化；

S24：监控函数跳转步骤：微控制器跳转到新的监控函数STATE0～STATEN，并执行步骤S27；

S25：命令码产生步骤：微控制器根据按下的键位号在对应的监控函数STATE0～STATEN控制下，产生对应的命令码；

S26：命令码发送步骤：微控制器将产生的命令码发送给主控计算机，并执行步骤S27；

S27：微控制器监控步骤：微控制器工作在按键监控状态，监控函数为当前函数。

(三)有益效果

本发明用于实现按键开关功能，用户可以通过主控计算机编程对其显示内容和按键功能进行自定义。另外，该装置还可以将采集到的按键信息以一定格式的命令码发送给主控计算机，并由主控计算机完成相应操作。该装置在工作状态下，也可以实现按键功能的多菜单切换，从而达到一键多用的目的，可以极大减少设备按键数量，从而有效降低整台设备成本和减少操作台面积。由于按键有OLED显示屏，其显示内容可以被修改；另外，按键功能也可以被修改。本发明使得当前设备中按键的固定显示内容和固定开关功能，都可以被编程修改。这种使用方法，可以实现按键复用，即一个按键实现多种功能，有效的减少了传统设备中按键太多的缺点，极大地降低了设备成本和对操作台面空间的占用，增加了每个按键的使用率。

附图说明

图1为本发明的装置使用方式示意图；

图2为本发明可编程显示按键阵列装置内部结构示意图；

图3为本发明的上电初始化显示操作流程图；

图4为本发明的按键按下操作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明的基于国产化微控制器的可编程显示按键阵列装置使用整体框图如图1所示，该装置一般需要接上主控计算机使用，其主要组成包括以下几部分。

1.可显示矩阵按键阵列：由多个按键组成，每个按键都用于接收微控制器传送过来的命令及数据进行操作及显示，另外可以被按下或弹起完成基本的开关操作；其中每个按键都是带OLED屏的可显示按键，该阵列中有一个设置为菜单切换按键，当按下该按键后，按键矩阵的功能将完成切换。该阵列主要有以下三个特点：第一，上电后，每个按键都需要在微控制器控制下完成初始化并显示初始化图片，例如加电开关，发射按钮，拨通电话等。第二，可在微控制器控制下实现按键亮灭。第三，开关按下或弹起得开关状态可被微控制器监测，并由微控制器生成命令码发送给主控计算机完成对应操作。

2.Cortex-M4内核的微控制器：作为本装置的核心，微处理器有丰富的外设：UART、SPI总线、SDIO控制器、GPIO串口、USB接口等。

UART：微控制器将按键开关的键位信息解析后，生成约定的命令码，经过该接口发送给显控装置的主控计算机，由所述主控计算机解析信息后完成对应操作；

SPI总线：微控制器用SPI总线来控制所有***按键，该SPI总线负责向每个按键发送命令信息(亮灯、熄灭、初始化、显示参数调节等)和数据信息(显示图片)；

SDIO控制器：微控制器经SDIO控制器读写内存卡存储的各个按键显示图片数据，SD卡的内容可以被主控计算机经USB接口读写；

GPIO串口：微控制器用来负责监测所有按键按下或弹起的信息即开或关的状态，每个按键按下后，微控制器都会根据定义的功能生成对应的命令码，通过通信串口GPIO串口传给显控装置的主控计算机；微控制器通过SPI总线，GPIO串口实现与可显示矩阵按键阵列的通信与控制。

USB接口：微控制器用来与主控计算机连接，可以将SD卡存储的图片文件进行读写，方便对按键显示图片数据的快速修改；主控计算机可以通过USB接口快速更换SD卡中的图片信息，从而实现按键显示内容的更改。

在微控制器内部存放控制程序，用于功能控制和匹配不同工作菜单的键位命令命令码生成。其和主控计算机之间有USB接口、通信串口，还有调试串口。调试串口用于更新微控制器中的控制程序，包括对按键的初始化及按键定义解析等功能，用户可以用该串口完成对程序的修改更新，因此可以随用户的需求及时调整装置功能。通信串口用于将解析完的按键信息按照一定数据格式，传给主控计算机，由主控计算机控制相关功能模块完成操作。

3.具有数据存储功能的SD卡，用来存储各个按键需要显示的图形信息内容，当按下菜单切换键时，微控制器读出对应图片并发送给对应按键，并在按键完成显示。同时，其中的图像数据可被所述主控计算机经USB接口修改；

4.电源，用来将外部供给的基准电压进行二次变压分解为装置硬件所需的各种电压，如输入12V，转换成3.3V、5V等装置常用电压。

主控计算机用于连接可编程显示按键阵列装置，在接收到微控制器传来的按键信息后执行对应操作。如调亮调暗显示器背光，调节机柜风扇转速等；

如图2所示，多个按键的SPI总线并行连接在微控制器的SPI总线上，每个微控制器可连接的按键个数最大值取决于SPI总线的负载能力以及可用GPIO引脚数，在SPI总线上传输的是操作命令或图像数据，其通信过程遵守SPI通信规范。另外，每个按键还有一根命令/数据使能信号也并行连接到微控制器的一GPIO引脚，用于标识SPI总线上传输的数据是数据还是命令：当该使能信号为高，SPI总线上传输的是一按键需要显示的图像数据；当该使能信号为低，SPI总线上传输的是命令；按键可依据命令完成自行初始化、显示、亮起关灭等操作。

每个按键的开关引脚，一端上拉高电平或者下拉低电平，另一端连接到微控制器的GPIO上，这个和传统开关的连接一致，都是由GPIO对按键按下或弹起做状态监控，并且所有开关的上拉或者下拉都是并连在一起的，当该按键显示内容改变后，GPIO检测的状态判断没有变化，只是微控制器根据键位信息生成的命令码会和按键显示的新内容对应一致。比如之前功能是某处电源开关，在按下后解析为电源打开，微控制器会产生命令码0x45并通过串口发送给主控计算机，主控计算机再通知上电单元完成对指定位置上电。当该按键显示为发射按钮时，在按下后解析为执行发射，微控制器会产生命令码0x32并通过串口发送给主控计算机，主控计算机再通知发射执行单元完成发射。另外，在按键阵列中，将其中一个按键设置为菜单切换按键，当其被按下后，整个按键矩阵的各按键显示内容完成切换(除菜单切换按键)，同时键位解析及命令码生成也完成对应关系的切换。

SD卡连接在微控制器的SDIO接口，其中存储着按键需要显示的图片数据，这些数据分别存储在几个文件夹下。每个文件夹对应着一个按键矩阵状态下的所有按键需要显示的图片文件，因此SD卡有多个文件夹；每个文件夹下有当前状态下所有按键需要显示的图片数据。在装置上电后，按键开始初始化，微控制器通过SDIO接口从初始化文件夹读出每个按键需要显示的图片信息，并通过SPI总线发送给各个按键，使按键完成显示，此时键位解析及命令码生成函数也是和当前状态一致的。当需要切换按键功能时，按下菜单切换键，微控制器通过SDIO接口从对应状态文件夹读出每个按键需要显示的图片信息，并通过SPI总线发送给对应按键完成显示，同时键位解析及命令码生成函数也完成切换，并和当前显示内容相对应。

SD卡中的内容，可以通过主控计算机和本装置连接的USB接口完成快速修改。本装置在主控计算机的USB总线下被识别为U盘，只需将对应状态的文件夹下的图片文件进行修改即可，装置重新上电后即可使用新的图片。需要注意的是，文件夹中的文件一般按照.bin的格式存放，不同格式的图片需要首先完成格式转换。

该装置的工作方法包括两种：1.上电初始化显示2.按键按下操作。

其中，上电初始化显示操作包括以下步骤，如图3所示：

S10：上电步骤：装置上电；

S11：处理器初始化步骤：微控制器加载工作程序；

S12：微控制器读取数据步骤：微控制器读取按键初始化需要显示的图片数据；

S13：显示按键初始化命令步骤：微控制器通过SPI片选信号、命令数据信号向按键发送初始化命令；

S14：显示按键初始化数据步骤：微控制器发送按键需要显示的图片数据；

S15：显示按键点亮步骤：在图片数据发送完成后微控制器发送按键点亮命令；

S16：显示按键循环初始化步骤：在当前按键完成显示操作后，继续进行下一按键初始化操作，直到所有按键完成初始化；

S17：微控制器监控步骤：微控制器工作在按键状态监控状态，监控函数为STATE0。

按键按下处理操作包括以下步骤，如图4所示：

S20：按键按下步骤：按键阵列有按键按下；

S21：键位接收步骤：微控制器接收按下的键位号；

S22：切换键及普通键判断步骤：微控制器根据键位号，判断按下的是否是按键功能切换键，如果是切换键则执行步骤S23，如果不是则执行步骤S25；

S23：按键初始化步骤：微控制器对按键按照S12～S16重新进行初始化；

S24：监控函数跳转步骤：微控制器跳转到新的监控函数(STATE0～STATEN)，并执行步骤S27；

S25：命令码产生步骤：微控制器根据按下的键位号在对应的监控函数(STATE0～STATEN)控制下，产生对应的命令码；

S26：命令码发送步骤：微控制器将产生的命令码发送给主控计算机，并执行步骤S27；

S27：微控制器监控步骤：微控制器工作在按键监控状态，监控函数为当前函数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。