基于89C52的計算機專(zhuān)用鍵盤(pán)設計

　　0 引言

　　AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能，片內含8 k可反復檫寫(xiě)的單片機，具有外圍硬件電路簡(jiǎn)單，體積小，可靠性高，選用其完成鍵盤(pán)的監控任務(wù)，在實(shí)際應用中，有時(shí)侯可能不小心按下鍵盤(pán)的按鍵，改變了設備或儀器的參數和狀態(tài)，使系統運行不正常。為計算機安全和防止誤觸發(fā)，需要將鍵盤(pán)鎖定，還要對某些鍵采取屏蔽措施，但是PC標準鍵盤(pán)不能滿(mǎn)足這些要求。本文介紹一種用89C52設計實(shí)現的可鎖定加密PC/AT鍵盤(pán)。另外，本鍵盤(pán)固定于主機操控臺，因此，又具有一定的抗振性和密封性。

　　1 鍵盤(pán)功能及工作原理

　　PC鍵盤(pán)功能主要有按鍵識別、去抖、重鍵處理、發(fā)送掃描碼、自動(dòng)重發(fā)、接收鍵盤(pán)命令、處理命令等。鍵盤(pán)有編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)。編碼鍵盤(pán)程序設計簡(jiǎn)單，但硬件電路復雜，價(jià)格較高;非編碼鍵盤(pán)用軟件來(lái)實(shí)現識別鍵、編碼轉換、去抖等功能，硬件電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。本鍵盤(pán)采用非編碼鍵盤(pán)，14行×8列的二維矩陣行列結構，采用行掃描法識別按下的按鍵。

　　2 PS/2協(xié)議

　　PS/2協(xié)議是外設與主機之間通信的一種同步雙向串行協(xié)議。在該協(xié)議中主機擁有較高的優(yōu)先級，在一定條件下可以終止外設正在進(jìn)行的發(fā)送過(guò)程。PS/2協(xié)議采用的傳送數據幀的格式為：1位起始位(0)、8位數據位、1位奇偶校驗位、1位停止位(1)。數據發(fā)送時(shí)低位在前，高位在后。外設每收到主機發(fā)來(lái)的1幀數據，都要緊隨該幀的停止位發(fā)送一個(gè)握手位.ACK(0)應答主機。然后，外設還要發(fā)1幀應答數據(0xF0)，表示外設已經(jīng)完整地接收到了主機的命令;而主機則不需發(fā)送握手位，也不需要發(fā)送應答幀。

　　2.1 鍵盤(pán)到PC鍵盤(pán)接口的通信

　　當時(shí)鐘線(xiàn)和數據線(xiàn)均為高電平時(shí)，允許鍵盤(pán)發(fā)送數據。系統將接收數據;當時(shí)鐘線(xiàn)被拉為低電平時(shí)，表明系統禁止數據傳輸。圖1給出了發(fā)送時(shí)序，包含1個(gè)低電平觸發(fā)的起始位、8位數據位、1個(gè)奇校驗位和1個(gè)高電平的結束位。

　　2.1.1 PC系統到鍵盤(pán)的通信協(xié)議

　　若時(shí)鐘線(xiàn)出現高電平，數據線(xiàn)出現低電平，表明系統請求發(fā)送，鍵盤(pán)準備產(chǎn)生同步時(shí)鐘脈沖串，并接收數據。包含了1個(gè)低電平觸發(fā)的起始位、8位數據位、1個(gè)奇校驗位、1個(gè)應答位、1個(gè)高電平的結束位。

　　2.1.2 鍵盤(pán)命令及執行過(guò)程

　　(1)FFH：復位鍵盤(pán)。系統通過(guò)此軟件復位命令使鍵盤(pán)進(jìn)入程序復位和內部自測試，稱(chēng)為基本保證測試(BAT)。復位鍵盤(pán)的過(guò)程如下：

　?、冁I盤(pán)收到FFH后立即回送ACK(FAH)作答;

　?、阪I盤(pán)接口收到ACK后，將鍵盤(pán)時(shí)鐘和數據線(xiàn)置為高電平;

　?、坻I盤(pán)檢測到此狀態(tài)后開(kāi)始BAT操作;

　?、苋绻鸅AT正確完成，鍵盤(pán)發(fā)送AAH以表示結束，否則以FDH(或其它任何值)表示診斷有誤。

　　(2)FEH：重新發(fā)送。當系統檢測到從鍵盤(pán)送來(lái)的任何傳輸錯誤時(shí)，它便向鍵盤(pán)發(fā)送FEH命令。鍵盤(pán)接收到此命令后，將重新送出原來(lái)的內容。

　　(3)FDH～F7H：空操作(保留未用)。

　　(4)F6H：設置缺省值。此命令使鍵盤(pán)所有條件復位到電源接通時(shí)的缺省狀態(tài)，鍵盤(pán)繼續掃描。

　　(5)F5H：設置缺省值和停止鍵盤(pán)。此命令使鍵盤(pán)所有條件復位到電源接通時(shí)的缺省狀態(tài)，并停止鍵盤(pán)掃描，等待下一個(gè)鍵盤(pán)命令。

　　(6)F4H：?jiǎn)?dòng)鍵盤(pán)。鍵盤(pán)接收到此命令后，用ACK(FAH)作答，清除輸出緩沖器，并啟動(dòng)鍵盤(pán)開(kāi)始掃描。

　　(7)F3H：設置拍發(fā)速率和延時(shí)參數。每當按下任一鍵時(shí)，鍵盤(pán)以拍發(fā)速率連續送出鍵的接通碼，直到鍵被釋放為止。延時(shí)參數是指按下一鍵后，鍵盤(pán)輸出的響應時(shí)間。

　　系統缺省設置：拍發(fā)速率=10個(gè)/s±20%，延時(shí)=500ms±20%。

　　當要改變設置時(shí)可以使用F3H命令，并后跟一個(gè)字節的參數。

　　計算拍發(fā)速率和響應延時(shí)的公式如下：

　　拍發(fā)速率=1/[8+A]×2B×0.004 17](1/s)

　　響應延時(shí)=(1+C)×250(ms)

　　注：缺省的延時(shí)參數值為2CH。

　　此命令的執行過(guò)程如下：

　?、冁I盤(pán)收到F3H命令后，用FAH予以響應，并停止掃描和等待隨后的參數;

　?、阪I盤(pán)若收到隨后的設置參數，用另一個(gè)ACK響應，并按其參數設置新的拍發(fā)速率和響應延時(shí)，之后重新開(kāi)始掃描(若鍵盤(pán)原來(lái)是開(kāi)放的);

　?、坻I盤(pán)若收到FAH命令，但無(wú)隨后的設置參數，則鍵盤(pán)結束命令設置，并保持原來(lái)的拍發(fā)速率和響應延時(shí)，停止掃描。

　　(8)F2H，F1H，EFH：保留未用。

　　(9)F0H：設置鍵盤(pán)掃描碼命令。此命令用于設置鍵盤(pán)的掃描碼，后跟參數指定三種掃描碼的哪一種。鍵盤(pán)復位時(shí)，默認掃描碼是第二種。

　　(10)EEH：回送命令。此命令用于輔助診斷，要求鍵盤(pán)接收到EEH時(shí)也要回送

　　EEH予以響應。若鍵盤(pán)原來(lái)是開(kāi)放的，則繼續掃描。

　　EDH：置位/復位LED指示器。鍵盤(pán)右上角有三個(gè)LED指示器，分別反映Caps、Num和Scroll三個(gè)鍵的鎖定情況。

　　此命令執行過(guò)程與F3H相似。若命令后跟參數，則按參數設定LED狀態(tài)并繼續掃描。若僅有命令無(wú)參數，則不改變LED原狀態(tài)，并停止掃描。

　　2.1.3 鍵盤(pán)響應

　　鍵盤(pán)在下列四種情況下都會(huì )向鍵盤(pán)接口發(fā)送數據。

　　(1)按下任一鍵，鍵盤(pán)以拍發(fā)速率向接口發(fā)送鍵盤(pán)接通掃描碼。

　　(2)釋放所按下的鍵，鍵盤(pán)發(fā)送斷開(kāi)掃描碼。

　　(3)系統向鍵盤(pán)發(fā)送鍵盤(pán)命令后，鍵盤(pán)回送應答。

　　(4)當用戶(hù)按鍵速度超出鍵盤(pán)所能容納的最大鍵個(gè)數時(shí)，鍵盤(pán)做出響應。

　　后三種情況稱(chēng)為鍵盤(pán)響應。響應字節有7個(gè)，定義如下。

　?、貴EH：重新發(fā)送響應。當鍵盤(pán)收到一個(gè)無(wú)效的鍵盤(pán)命令，或者檢測到奇偶錯的鍵盤(pán)命令時(shí)，鍵盤(pán)回送響應字節為FEH，要求系統重發(fā)鍵盤(pán)命令。

　?、贔AH：正常應答。對任何一個(gè)有效的鍵盤(pán)命令，鍵盤(pán)回送FAH予以響應。

　?、?0H：超限應答。當用戶(hù)按鍵速度超出鍵盤(pán)所能容納的最大鍵符個(gè)數時(shí)(16個(gè)字節的緩沖器)，鍵盤(pán)發(fā)送00H。

　?、蹻DH：診斷故障應答。鍵盤(pán)接受軟件復位命令，執行自測試過(guò)程中。若檢測到故障，則以FDH應答。此時(shí)，鍵盤(pán)停止掃描并等待下一個(gè)鍵盤(pán)命令。

　?、軦AH：診斷正常應答。鍵盤(pán)在軟件復位過(guò)程中，正常完成BAT測試，以AAH應答。

　?、轊EH：回響命令的應答，對鍵盤(pán)EEt{命令的應答。

　?、逨0H：斷開(kāi)掃描碼前綴，鍵盤(pán)對鍵符按下后釋放的應答，第一個(gè)字節為F0H，第二個(gè)字節為接通掃描碼(有幾個(gè)鍵例外)。

　　3 硬件設計

　　圖1為電路結構框圖，電路核心為單片機AT89C52，工作頻率為8～11 MHz。圖中可以看出，89C52單片機有4個(gè)8位I/O端口，因此可以采用PO再加上P2口的4個(gè)(P2.0到P2.5)作為行掃描線(xiàn)。P1口作為列輸入線(xiàn)(如果用PO口作列輸入線(xiàn)，必須加上拉電阻)。采用P3.0、P3.1作為數據線(xiàn)和時(shí)鐘線(xiàn)與PC系統進(jìn)行通信，用P3.4、P3.5、P3.6控制鍵盤(pán)上的3個(gè)指示燈。硬件原理如圖1所示。鍵盤(pán)與計算機通過(guò)一個(gè)五芯(PS/2接口為六芯)插座相接，4個(gè)有效引腳的定義分別是電源(VCC)、地(GND)、串行時(shí)鐘線(xiàn)(SCK)、串行數據線(xiàn)(SIO)。

　　4 軟件設計

　　(1)消抖及重鍵處理：通過(guò)軟件上延時(shí)程序來(lái)消除抖動(dòng);采用后按鍵優(yōu)先處理，即多鍵同時(shí)按下時(shí)，只重復發(fā)送最后按下鍵的掃描碼。

　　(2)程序包括鍵盤(pán)掃描子程序、發(fā)送鍵碼子程序、發(fā)送數據子程序、接收命令子程序、定時(shí)器1中斷服務(wù)程序、主程序等。鍵盤(pán)掃描子程序用于掃描鍵狀態(tài)，將被按鍵的位置號存入緩沖器中;發(fā)送鍵碼子程序用于將緩沖區鍵的接通碼或斷開(kāi)碼發(fā)送給計算機鍵盤(pán)接口或者存在鍵盤(pán)密碼緩沖區中;發(fā)送數據子程序用于將數據發(fā)給計算機鍵盤(pán)接口;接收命令子程序用于接收計算機鍵盤(pán)接口發(fā)來(lái)的鍵盤(pán)命令;定時(shí)器1中斷服務(wù)子程序用于給程序中的延時(shí)提供標準時(shí)鐘，并具有軟件看門(mén)狗功能，防止軟件出現死機現象;主程序用于系統初始化，子程序調度，鎖定狀態(tài)的顯示等。圖2～4是主要軟件模塊的流程圖。

　　5 結束語(yǔ)

　　該鍵盤(pán)的設計從軟、硬件都作了周密考慮，可靠性好，穩定性強，特別適合部隊野外訓練使用。本鍵盤(pán)可以在標準的鍵盤(pán)基礎上進(jìn)行改造，只需換掉原來(lái)的控制芯片即可，可節省設計成本。具有很好的發(fā)展前景。