Codificatore per tastiera 4x3

Può essere comodo disporre di una tastiera con uscita già codificata; questo permette di risparmiare tempo nello scrivere il programma per un microcontroller ospite che, magari, non dispone di pin sufficienti per la scansione della matrice.
 
Certamente esistono encoder per keypad, come 74C922 (fino a 16 tasti) e 74C923 (fino a 20 tasti), ma hanno sempre avuto un costo assai elevato e questo sconsiglia il loro uso, sopratutto da quando possiamo effettuare la stessa operazione utilizzando un piccolo microcontroller, molto più economico.
 
In particolare, ci indirizziamo verso il PIC16F505, un 14 pin Baseline. La scelta di questo componente non certo recentissimo e ben poco performante è voluta per due semplici motivi: il primo è che si tratta probabilmente del PIC a 14 pin con il costo più basso; questo (meno di 0.8€ su MicrochipDirect) fa si che la sua introduzione nel circuito pesi veramente poco, anche perchè bastano solo altri 5 componenti, oltre alla tastiera. Si sarebbe potuto utilizzare anche 16F54, ancor meno dispendioso, ma è un 18 pin e necessita di un oscillatore esterno, il che, tutto sommato, annulla la piccola differenza nel costo del chip. 
Il secondo è che, per questa applicazione, non serve alcuna prestazione particolare. In effetti, utilizziamo solamente la funzione di risveglio da sleep per cambio di livello sui pin (IOC).

Il circuito.

Il circuito è previsto per una tastiera a matrice 4x3, di uso piuttosto comune. Si potrà comunque codificare qualsiasi numero di tasti inferiore.

Ci basiamo sulla funzione IOC, che è programmabile su RB0,1,3,4 e dove sono attivabili i weak pull-up integrati, il che consente di risparmiare le resistenze esterne. 

Le resistenze in serie alla tastiera sono opzionali ed hanno lo scopo di limitare problemi ESD al contatto tra tasti e operatore. Il valore tipico è 100 ohm.
Anche le resistenze in serie alle linee dati sono opzionali e servono per proteggerle sia da ESD che da cortocircuiti. Anche qui siamo attorno ai 100 ohm, valore non critico.
JP1 è il connettore di accesso i dati e comprende anche l'alimentazione, che può andare da 2 a 5.5V. Le resistenze RN1 sono dei pull down (100k) (Vedere la spiegazione più avanti).
SP1 è un altoparlante miniatura da 50-120 ohm oppure un elemento piezo o un buzzer (vedere spiegazione più avanti). Il diodo D1 è necessario solo se si tratta di un elemento elettromagnetico; per un elemento piezo si sostituirà con una resistenza da 1k circa.
I condensatori C1 sono il solito 100nf vicino ai pin del chip e un 47uF elettrolitico.
E' presente la presa ICSP per modificare on board il firmware del micro. 

Il circuito è sperimentabile sulla LPCuB:

4 jumper volanti collegano i pin di uscita dati con i LED 0,1,2,3 per visualizzarne lo stato.
Un cavetto a 7 poli collega la tastiera.
Il jumper volante "rosa" collega il buzzer sulla scheda.

Il programma.

Il chip è normalmente in condizione di sleep a bassissimo consumo, cosa che permette di non caricare l'alimentazione anche in circuiti low power.
L'uscita dati è in three-state ed è mantenuta a livello basso con un pull-down. Il processore host, leggendo le linee dati, troverà 0000 se nessun tasto è premuto.

Quando viene premuto un tasto, si genera un wake-up e il microcontroller scandisce le colonne. 
Se il tasto è premuto per meno del tempo di debounce o si tratta di un disturbo, il microcontroller attende il rilascio di tutti tasti e ritorna in sleep. Il processore host continua a leggere 0000 sulle line dati.
Se è premuto un tasto valido, il suo valore viene riportato alle linee dati, che vengono configurate come uscita; il processore host leggerà un valore diverso da 0. Il cicalino emette un breve beep.
Le linee dati ritornano in three-state quando il tasto è rilasciato. 
Se sono premuti contemporaneamente più tasti su diverse colonne, ad esempio 1 e (colonna 1) e 2 (colonna2) il programma rileva solamente il tasto della colonna più bassa, in questo caso il tasto 1. Volendo, è possibile modificare il programma per ricevere più tasti. 

Per semplificare al massimo l'interfaccia dati si è evitato il ricorso ad una linea Data Available con cui avvisare l'host della presenza di un tasto premuto e si è scelta la seguente soluzione:

• le linee dati sono a 0 se nessun  tasto valido è premuto
• se è premuto un tasto, le linee dati indicano il valore del tasto +1

Quindi:

Quando l'host verifica un dato diverso da 0, lo preleva e lo elabora semplicemente sottraendo 1 per ottenere il valore del tasto premuto.

Questi valori fanno parte di una lookup table che contiene tutte le 64 possibili combinazioni dei livelli dei 5 pin di PORTB. 

L' uso di una tabella retlw consente di minimizzare le operazioni di decodifica del tasto e dà la possibilità di variare facilmente i valori a seconda delle necessità.  Non vanno modificate le locazioni a 0 e a Fh dato che questi valori sono usati dal programma per le selezioni:

Si possono implementare altre alternative per quanto riguarda l'uscita; ad esempio, se ci sono problemi di pilotaggio di un tratto di cavo tra tastiera e host, le linee dati si possono lasciare in sleep configurate come uscite dopo averle portate a 0. In questo caso i pull-down non servono e vanno omessi. In tal caso occorre modificare la parte finale del programma:

Il cicalino per il beep può essere un micro speaker, da 50-120 ohm. Se il valore della resistenza è basso, occorrerà mettere una piccola resistenza in serie oppure usare un buffer. Il diodo serve ad evitare la sovratensione alla diseccitazione della bobina.
Si potrà usare un elemento piezo; in tal caso al posto del diodo si userà una resistenza (1k circa).
Il programma genera un'onda quadra da 2-3kHz.
Se occorre un suono robusto, si potrà ricorrere ad un buzzer. In tal caso non occorre il segnale di pilotaggio, ma basterà comandare il pin per il tempo voluto. 

Senza buffer, la corrente massima nel buzzer non dovrà superare la portata del pin (25mA).

Il sorgente non prevede comandi per l'aggiustamento delle pagine o il rinvio indiretto delle subroutines, dato che tutto il programma è contenuto nella pagina 0 e tabelle e subroutines non superano le prime 256 locazioni.
La selezione iniziale permette la compilazione per 16F505/506/526, ma il tutto è facilmente portabile su qualsiasi altro PIC con un sufficiente numero di pin.

La costruzione.

Nulla di particolare, data la semplicità del circuito. Per il prototipo è stato realizzato uno stampato della stessa dimensione della tastiera (EOZ ECO.12150.06), ma si potrà facilmente utilizzare qualsiasi altro modello, tenendo presente che si tratta comunque di un keypad a matrice.

Il progetto MPLAB completo.