一種嵌入式PC非標準鍵盤(pán)的設計

隨著(zhù)嵌入式系統的飛速發(fā)展，嵌入式PC在工業(yè)控制、測量?jì)x器等領(lǐng)域得到了廣泛應用，如ADVANTECH公司的PC/104、 AMD公司的E86等。它們除了具有PC的功能外，還提供了功能強大的各種標準接口，如：平板/VGA顯示器控制接口、光驅接口、以太網(wǎng)接口、RS-232/422/485接口、PC/AT鍵盤(pán)接口等。這就為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的標準化、模塊化提供了方便，可大大縮小研發(fā)周期，降低研制成本。由于嵌入式PC具有標準PC鍵盤(pán)接口，也就是說(shuō)，可以用標準的PC/AT鍵盤(pán)來(lái)對嵌入式PC進(jìn)行操作與控制。然而，在很多實(shí)際應用中，需要用到鍵的數量和類(lèi)型有很大的差異，并希望鍵盤(pán)具有體積小巧、便于布放等特點(diǎn)。因此，希望能夠設計一種小巧、靈活的PC非標準鍵盤(pán)，來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)需求。

本文根據課題要求，設計了一種由AT89C52實(shí)現的PC非標準鍵盤(pán)。下面對其硬件設計、軟件實(shí)現及PS/2鍵盤(pán)通信協(xié)議分別進(jìn)行介紹。

1硬件設計

圖1為該鍵盤(pán)電路原理圖，由ATMEL公司的微控制器AT89C52、邏輯系統（包括看門(mén)狗復位電路X25045和晶體振蕩電路）、矩陣鍵盤(pán)三部分組成。AT89C52單片機主要完成鍵盤(pán)掃描，確定鍵盤(pán)閉合斷開(kāi)的信息，并發(fā)送鍵碼和同步時(shí)鐘到工控機；邏輯系統提供起振信號及看門(mén)狗定時(shí)復位功能，防止出現死機；矩陣鍵盤(pán)為44的行列式鍵盤(pán)，當有鍵按下時(shí)產(chǎn)生低電平觸發(fā)信號，便于單片機檢測有效的按鍵操作。該鍵盤(pán)由44=16個(gè)按鍵組成，其中行線(xiàn)為P0.4～P0.7，列線(xiàn)為P0.3～P0.0。P3.0為鍵碼數據輸出，P3.1為同步時(shí)鐘，分別輸出到嵌入式PC的PS/2端口；+5V電源由主機提供。

由于A(yíng)T89C52的IO端口為32個(gè)，除看門(mén)狗電路的輸入輸出端CS、SI、SO、SCK、以及鍵碼數據輸出端Data和時(shí)鐘輸出端Clock外，還剩26個(gè)可用端口，這樣，其最大可獨立響應13 13=169個(gè)鍵的輸入，不僅可滿(mǎn)足標準鍵盤(pán)的多鍵需求，也可滿(mǎn)足工控機常用控制鍵的要求。X25045為看門(mén)狗電路，它實(shí)時(shí)接收來(lái)自AT89C52的CS信號，并自動(dòng)判斷兩次信號的間隔時(shí)間。當時(shí)間間隔到達設定時(shí)間時(shí)，其RST輸出端保持低電平；反之，其RST輸出端輸出高電平，AT89C52被復位。此外增加了發(fā)光二極管LED，用來(lái)指示鍵盤(pán)的工作狀態(tài)。

圖1鍵盤(pán)電路原理圖

（1）具有8K字節可編程閃存；

（2）2568字節內部RAM；

（3）32根可編程I/O線(xiàn)；

（4）3個(gè)16位定時(shí)計數器；

（5）8個(gè)中斷源；

（6）可編程串行UART通道

2 PS/2協(xié)議

標準鍵盤(pán)和工控機或者嵌入式PC之間是按照PS/2協(xié)議進(jìn)行通信的，因此設計的非標準鍵盤(pán)也必須嚴格按照該協(xié)議，這樣才能為系統正確識別和作出響應。PS/2鍵盤(pán)接口標準由IBM公司于1987年推出，該標準采用了6腳mini―DIN連接器（見(jiàn)圖2）。該連接器在封裝上更加小巧，仍然用雙向串行通信協(xié)議，并且提供有可選擇的第三套鍵盤(pán)掃描碼集，同時(shí)支持l7個(gè)主機到鍵盤(pán)的命令。

圖2 PS/2端口示意圖

PS/2接口的6個(gè)引腳只有4個(gè)有定義，它們分別是1腳Data(數據腳)、5腳Clock(時(shí)鐘腳)、3腳Ground(電源地)、4腳Vcc(+5V電源)；2腳和6腳為未定義保留端口。PS/2鍵盤(pán)與PC機的物理連接，只要保證這4根線(xiàn)一一對應就可以了。鍵盤(pán)靠PC的PS/2端口提供+5V電源，因此不需要專(zhuān)門(mén)電源。另外時(shí)鐘腳Clock和數據腳Data都是集電極開(kāi)路的，需外接上拉電阻，上拉電阻的阻值一般可取1K～10K，這和51系列單片機IO口的特性是一致的。

PS/2通信協(xié)議是一種雙向同步串行通信協(xié)議。通信的兩端通過(guò)Clock(時(shí)鐘腳)同步，并通過(guò)Data(數據腳)交換數據。PS/2的數據是按幀進(jìn)行傳輸的，每一數據幀包含l1～12個(gè)位，其中鍵盤(pán)發(fā)送的數據幀為11位。1個(gè)起始位（低電平）、8個(gè)數據位(低位在前，高位在后)、1個(gè)奇偶校驗位（采用奇校驗）、1個(gè)停止位（高電平）。在鍵碼傳送的同時(shí)，微控制器還傳送1個(gè)鍵碼時(shí)鐘同步信號，用于同步鍵碼數據的接收，鍵碼中每個(gè)數據位的傳送發(fā)生在鍵盤(pán)時(shí)鐘的下降沿。最大的時(shí)鐘頻率是33kHz 而且大多數設備工作在10～20kHz，推薦頻率在15kHz左右^[2]。

當有鍵按下時(shí)，鍵盤(pán)發(fā)送一個(gè)接通碼給主機，接通碼值在00～7F之間。當按鍵松開(kāi)后，鍵盤(pán)首先發(fā)送斷開(kāi)碼標志F0H，然后再發(fā)送該鍵的接通碼。如果按鍵按下0.5秒仍沒(méi)斷開(kāi)，則以每秒6個(gè)鍵碼的速率發(fā)送到主機。Clock和Data必須為高電平時(shí)，才能傳送鍵碼數據。鍵碼的每一位傳送發(fā)生在時(shí)鐘的下降沿，在時(shí)鐘高電平期間發(fā)生變化。

圖3為接通鍵碼為2C，即按下t鍵時(shí)，鍵碼和時(shí)鐘的傳送時(shí)序。

圖3 鍵碼2C傳輸時(shí)的通信時(shí)序

軟件包括定時(shí)0中斷子程序、定時(shí)1中斷子程序、主程序等。其中，定時(shí)器0中斷子程序用于定時(shí)（如50ms）檢測單片機工作狀態(tài)，實(shí)現看門(mén)狗功能，完成單片機的自動(dòng)復位，防止軟件出現死機現象。定時(shí)器1中斷子程序用于設定時(shí)鐘高低電平的持續時(shí)間，即確定時(shí)鐘的頻率，這里采用的時(shí)鐘頻率為16 kHz。主程序循環(huán)檢測有無(wú)鍵被按下、判斷哪個(gè)鍵被按下并確定對應的鍵碼，然后確定是否輸出鍵碼和同步時(shí)鐘信號。如有鍵被按下，則輸出相應的鍵碼同時(shí)并輸出同步時(shí)鐘信號。然后再掃描按鍵是否斷開(kāi)，若斷開(kāi)則發(fā)送斷開(kāi)掃描碼和時(shí)鐘信號。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖