10キー入力を3bit Binaryに変換する

簡単な入力インターフェースを作ろうと思ったとき、ある程度以上の入力数や、汎用性を持たせようと思ったときに便利なのが10キーである。
よく見かけるのは、プッシュホン電話と同じキー配列をした１２キーのものだが、 0からFまでの16キーのものも売っている。
また、マトリックス上に接線されているものと、それぞれのスイッチにつき１つづつピンが出ているものもあるようです。
後者のものはBCDに変換する専用のロジックICがあるので、そういったものを使っても簡単に変換できますが、マトリックス状に接線されたものをPICで簡単に変換できないかと思って作ったのが今回の回路です。
実際には入力部分だけを転用して他のアプリケーションに利用するために試作した物で、これだけで何かできるわけではありませんが、練習にはちょうど良いでしょう。

使用したパーツ

キーパッドはピンアサインが不明でしたが、一番安いやつを千石で買ってきました。 16キーのも気になりましたが、とりあえず数値入力できれば良いので、12キーので我慢。パーツ屋を探せば似たようなのが、\1k位で手に入るでしょう。
分解して調べたところ、案の定マトリックス状に接続されており、3列x4段で計7本、他にフレームグラウンド1本の計8本のピンが出ていました。
調査結果はイラストのとおり。正面向かって左側から0,1,2,..とピン番号を振っています。

おまけに、キークリックの音を出す圧電ブザーをつけてみました。
5Vのデジタル出力でまともな音が出るか疑問でしたが、試したところ1KHz位のの方形波を加えると、そこそこの音が出ました。裸の状態だと十分かなと思いますが、ケースに入れたりすると微妙かもしれません。
より大きな音や澄んだ音(正弦波)にしたければ外付け回路が必要でしょう。
実際、ブザーを鳴らす為に結構なステップ数を費やしているので、外部の発振回路出力をON/OFFする方が賢いかもしれません。

アルゴリズム

アルゴリズムとしては、仕組みは7 Segment LEDのダイナミック点灯と同じで、3列を順番にドライブしつつ、4段の出力を読み取るという方法です。
出力をプルアップしておき、Lowになった場合入力があったとすると、次のような真理値表になります。(表は正論理で示したので0がLowです。)

		input			output
		1	2	3	4	5	6	7
k e y	3	0	1	1	0	1	1	1
	6	0	1	1	1	0	1	1
	9	0	1	1	1	1	0	1
	#	0	1	1	1	1	1	0
	2	1	0	1	0	1	1	1
	5	1	0	1	1	0	1	1
	8	1	0	1	1	1	0	1
	0	1	0	1	1	1	1	0
	1	1	1	0	0	1	1	1
	4	1	1	0	1	0	1	1
	7	1	1	0	1	1	0	1
	*	1	1	0	1	1	1	0
	N/A	x	x	x	1	1	1	1

出力するデータは、演算して出しても良いのですが、EEPROMが実装されていますので、データはROMに入れておきROMのアドレスをキー入力で与えることにしました。このようにすることで10キー以外や、ボタン数が増えた場合にも最小限の変更で対応することが出来ます。
キーパッドの出力は4段のうち1つのみONになる(同時押しは考慮しない)ので、4通り、つまり2bitで表現できるのですが、プログラムを簡単にするため4bitとして扱い、そのまま EEPROMの下位4bitのアドレスとして利用しています。上位4bitもそのまま与えても良いのですが、プログラムの構造上容易だったのと、ROMデータを作るのが面倒だったので、0,1,2の数値として与えています。
この結果、ROMのデータとしては0x00-0x2Fまでの48バイトを作ればよいことになります。何も押されていない場合は0x0Fを出力することとして、重複して押された場合(プログラム側でハンドリングしていませんが)も0x0Fのダミーデータで埋めておきました。
*は0xa, #は0xbとしています。同じ仕組みで16キーまでサポートすることが可能です。
データ出力が8bitあれば、データにASCIIコードを使うのも良いでしょう。 EEPROMのデータは0x2100番地から書き込めばよいので、アセンブラは次のようになります。

;***** EEPROM Setting
org	0x2100
DE	0xf, 0xf, 0xf, 0xf, 0xf, 0xf, 0xf, 0xb, 0xf, 0xf, 0xf, 0x9, 0xf, 0x6, 0x3, 0xf
DE	0xf, 0xf, 0xf, 0xf, 0xf, 0xf, 0xf, 0x0, 0xf, 0xf, 0xf, 0x8, 0xf, 0x5, 0x2, 0xf
DE	0xf, 0xf, 0xf, 0xf, 0xf, 0xf, 0xf, 0xa, 0xf, 0xf, 0xf, 0x7, 0xf, 0x4, 0x1, 0xf

さらに、ずっとループで回しておいても良いのですが、何も押されていないときsleepさせておき、キー入力があった場合に処理させることが出来ないか検討しました。
今回特に必要というわけではないのですが、電池で使う場合などは省電力に出来るので、ベターです。
PortBは状態変化割り込みが使えるのでこれを利用して実装してみました。状態変化を検出するためにはキーパッドの1から3pinをLowにしておき、どれかキーが押されたら復帰する方法を使っています。
割り込みを用いると、割り込みルーチンを書かないとなりませんが、今回割り込みを使うほどでもないのでINTCONレジスタのGIEビットで割り込みを禁止しておき、RBIEをセットして状態変化割り込みのマスクを外しておくことで、割り込みルーチンに飛ばずsleepから復帰することが出来ます。
INTCONレジスタのRBIFビットは状態変化が起きた場合にクリアしておかないと、次にsleepしたときに直ぐに復帰してしまいますので、当初はsleepから復帰した直後にクリアする実装にしたのですが、クリア直後にセットされてしまいうまく動きませんでした。(よく考えれば当たり前ですよね)
このため、チャタリングの対策も兼ねて、sleepする前に100ms待ってからRBIFビットをクリアしてsleepするように変更しました。

回路図

PICの設定

速度は8MHzまでに限定されますが、クロックソースに内部クロックを使うことが出来るようになっているので、これを利用することにしました。
configレジスタの設定の_INTRC_IOがこの設定ですね。
内臓のプリスケーラーの出力を切り替えることにより、使用する周波数はOSCCONレジスタの設定で選択できるのですが、デフォルトではOSCCONレジスタは0x0になっており、31.25KHz になってしまうので、OSCCONレジスタの7:5ビットを1にします。これで8MHzになります。

MOVLW	0x70	; set INTOSC to 8Mhz
MOVWF	OSCCON

次はI/O周りの設定です。16F88ではアナログ入力やCCPなどが追加されていますので、このあたりはdisableにする必要があります。特にアナログ入力はデフォルトがenableなので、忘れると動作しません。
この設定もPIC16F877などでは、ADCON1[3:0]で設定していましたがANSELで設定するようになっています。

CLRF	ANSEL	; Analog input disable

CCPの方はCCP1CONで設定しますが、デフォルトでdisableですので特に設定は必要ありません。

16f84用に書いたプログラムをシュミレーターで動作確認してあったので、入出力やクロックソースだけ直して焼いてみたのですが、これではぜんぜん動きません。
EEADRやEEDATAがBank2にあるので、切り替え先を変更しなければなりません。
Bank1に切り替え先を決めうちしていたのでは汎用性が無いので、マニュアルにも書いてあるとおりBANKSEL命令を使って記述するように変更しました。
また、手順にEECON1レジスタのEEPGDビットをクリアする手順が追加されていますので、これもソースに追加しました。

MOVF	daddr,W		;daddrにアドレスが入っていることを想定しています。
BANKSEL	EEADR
MOVWF	EEADR		; set ROM address
BANKSEL EECON1
BCF	EECON1,EEPGD
BSF	EECON1,RD	; RD bit set
BANKSEL	EEDATA
MOVF	EEDATA,W	; read ROM data

RA[0:3]	digital output	入力キーのバイナリデータ出力。
RB[0:2]	digital output	キーパッドの1から3pinに接続。
RB3	digital output	ブザーの-側に接続。
RB[4:7]	digital input	キーパッドの4から7pinに接続。

PICで10キー入力を4bit Binaryに変換する

使用したパーツ

アルゴリズム

回路図

PICの設定

完成品