基于89C51單片機(jī)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)鍵盤及報(bào)警控制卡設(shè)計(jì)

鍵盤是數(shù)字視頻監(jiān)控錄像系統(tǒng)中最重要的輸入設(shè)備之一，是人機(jī)接口的重要組成部分。目前常用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)鍵盤除配置電子鎖開關(guān)防止非法鍵盤輸入外，與PC鍵盤并沒有多大區(qū)別。這種鍵盤不僅鍵數(shù)多，操作不靈活，而且通常只能作為輸入設(shè)備，主機(jī)無法通過鍵盤與外設(shè)進(jìn)行通信。本文在分析PC機(jī)鍵盤通信方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出以89C51單片機(jī)為核心的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)鍵盤及報(bào)警控制卡，該卡具有鍵盤通信和輸入輸出報(bào)警兩種功能，采用標(biāo)準(zhǔn)PCI卡的結(jié)構(gòu)，但不占用主機(jī)硬件資源。其中，報(bào)警部分有4路輸入和4路輸出，可以與標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)警傳感器相連;鍵盤部分有16個(gè)鍵，通信方式與PC機(jī)完全兼容。采用這種控制卡，不僅可以節(jié)省視頻監(jiān)控系統(tǒng)中常用的專用報(bào)警解碼器，而且能夠?qū)崿F(xiàn)在不占用主機(jī)硬件資源的情況下實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的雙向通信，利用這個(gè)特性，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的異常情況并加以解決，從而大大提高目前普遍采用的基于WINDOWS操作系統(tǒng)的數(shù)字視頻監(jiān)控錄像系統(tǒng)的可靠性。

1 鍵盤與主機(jī)的通信方式

主機(jī)通過鍵盤接口與鍵盤聯(lián)絡(luò)，主機(jī)與鍵盤的通信，實(shí)際上是鍵盤接口與鍵盤的通信。PC機(jī)鍵盤接口采用Intel8042芯片作為控制器，接收鍵盤掃描碼以及向鍵盤發(fā)送命令。除了電源線和地線之外，鍵盤與主機(jī)之間還有兩條雙向通信線：時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。采用串行傳送方式，在時(shí)鐘脈沖作用下同步地收發(fā)數(shù)據(jù)，既可以向主機(jī)傳送鍵盤響應(yīng)或鍵盤掃描碼，也可以接收來自主機(jī)的鍵盤命令。主機(jī)通過設(shè)置數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線的狀態(tài)，指導(dǎo)鍵盤收發(fā)數(shù)據(jù)：

(1)時(shí)鐘線為低電平，禁止鍵盤傳送數(shù)據(jù);

(2)時(shí)鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線為低電平，通知鍵盤接收命令或參數(shù);

(3)時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線都為高電平，允許鍵盤傳送數(shù)據(jù);

1.1 鍵盤向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)

由于鍵盤輸入是異步的，且具有實(shí)時(shí)性，所以主機(jī)系統(tǒng)以中斷方式支持鍵符的隨機(jī)輸入。每當(dāng)鍵盤接口接收完從鍵盤送來的串行掃描碼時(shí)，即向中斷系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)鍵盤中斷，若CPU響應(yīng)該中斷，則由鍵盤中斷程序讀取此掃描碼，經(jīng)轉(zhuǎn)換后成為系統(tǒng)掃描碼，存到鍵盤緩沖區(qū)。鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線都由鍵盤控制。鍵盤發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)格式如圖1所示。

圖1 鍵盤串行數(shù)據(jù)格式

鍵盤首先檢測時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線的狀態(tài)，當(dāng)兩者皆為高電平時(shí)，開始傳送數(shù)據(jù)。依次傳送起始位、8位數(shù)據(jù)位(低位在前)、校驗(yàn)位和停止位。每傳送一位，時(shí)鐘線同步地產(chǎn)生一個(gè)脈沖。當(dāng)主機(jī)收到該脈沖后，將時(shí)鐘線置成低電平并保持一段時(shí)間，禁止鍵盤繼續(xù)發(fā)碼，以便于檢驗(yàn)該數(shù)據(jù)的正確性，并產(chǎn)生中斷、進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換和執(zhí)行相應(yīng)的操作。如果檢驗(yàn)出錯(cuò)，就向鍵盤傳送重發(fā)命令0FEH，要求重送，鍵盤向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采用奇校驗(yàn)方式。

1.2 鍵盤接收主機(jī)命令和參數(shù)

主機(jī)首先將時(shí)鐘線置為低電平，隨后將數(shù)據(jù)線置為低電平，延時(shí)大約200μs后，將時(shí)鐘線置為高電平。當(dāng)鍵盤檢測到這一狀態(tài)后，開始接收主機(jī)命令，接收數(shù)據(jù)格式與發(fā)送的一樣。鍵盤依次接收1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)校驗(yàn)位、1個(gè)停止位。特別值得注意的是，在接收鍵盤命令或參數(shù)時(shí)，雖然數(shù)據(jù)是由主機(jī)發(fā)向鍵盤的，但是時(shí)鐘脈沖是由鍵盤產(chǎn)生的。主機(jī)在時(shí)鐘線上每接收一個(gè)脈沖的下降沿，就在數(shù)據(jù)線上輸出一位數(shù)據(jù)。如果接收正確，在時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線都成為高電平后，鍵盤將向主機(jī)發(fā)一個(gè)應(yīng)答信號(0FAH)，否則向主機(jī)發(fā)一個(gè)0FEH信號，要求重發(fā)。主機(jī)收到0FEH信號后，把剛才輸出過的數(shù)據(jù)重新發(fā)送一次。如果這一過程持續(xù)三次后，鍵盤仍然不能正確接收，主機(jī)就放棄傳送這個(gè)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行下面的程序或顯示錯(cuò)誤信息。主機(jī)命令和參數(shù)也采用奇校驗(yàn)方式。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)與PC鍵盤接口相連，圖2給出了系統(tǒng)硬件電路原理。其中P3.0和P3.1分別與主機(jī)鍵盤接口的時(shí)鐘線CLK和數(shù)據(jù)線DATA相連，P2口與4×4鍵盤矩陣相連，P0口經(jīng)過驅(qū)動(dòng)后與輸入輸出報(bào)警設(shè)備相連接。為保證鍵盤可靠工作，系統(tǒng)配置了看門狗電路MAX813L，另外，系統(tǒng)還配置了蜂鳴器，每次按鍵均有聲音提示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要有兩部分組成。

3.1 鍵盤向主機(jī)發(fā)送鍵盤掃描碼

與PC標(biāo)準(zhǔn)鍵盤兼容，當(dāng)檢測到有效鍵閉合時(shí)，鍵盤向主機(jī)發(fā)送接通碼，當(dāng)檢測到閉合鍵釋放時(shí)，發(fā)送斷開碼，即在接通碼前加0F0H，系統(tǒng)采用中斷的方式每隔10ms掃描一次鍵盤，考慮到數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際情況，與標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)鍵盤不一樣的是，每次按鍵無論時(shí)間長短，只發(fā)送一次接通碼，且每次有效按鍵輸入，均有聲音提示。

3.2 鍵盤接收主機(jī)控制命令及應(yīng)答

主機(jī)的控制命令包括兩部分，一部分是標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)發(fā)送給鍵盤的控制命令，主要是用于鍵盤的自檢，另一部分是本系統(tǒng)增設(shè)的控制命令，主要是和外設(shè)進(jìn)行雙向通信以實(shí)現(xiàn)輸入輸出報(bào)警功能。主機(jī)開機(jī)時(shí)都要對鍵盤進(jìn)行自檢，主機(jī)對鍵盤的自檢是通過鍵盤控制命令實(shí)現(xiàn)的，主機(jī)要求鍵盤每接收一個(gè)命令都要用0FAH作為應(yīng)答，而且在發(fā)送鍵盤復(fù)位命令0FFH后，鍵盤要發(fā)送0FAH和0AAH作為鍵盤自檢正確的響應(yīng)。本系統(tǒng)增設(shè)的控制命令是在檢測到動(dòng)態(tài)報(bào)警信號及系統(tǒng)異常時(shí)通知外設(shè)以便發(fā)出聲光報(bào)警信號。這些控制命令是通過對主機(jī)鍵盤接口狀態(tài)寄存器(口地址064H)和數(shù)據(jù)寄存器(口地址060H)的讀寫操作實(shí)現(xiàn)的。圖3給出了鍵盤處理中斷服務(wù)子程序框圖。

圖3 鍵盤處理中斷服務(wù)子程序框圖

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)在不占用主機(jī)硬件資源的情況下，利用PC鍵盤接口實(shí)現(xiàn)了與外設(shè)的雙向通信，所設(shè)計(jì)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)鍵盤及報(bào)警控制卡具有鍵數(shù)少、操作簡單和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，已在實(shí)際的數(shù)字硬盤錄像監(jiān)控系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，證明該設(shè)計(jì)方法是切實(shí)可行的，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中。