一種嵌入式PC非標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的設(shè)計(jì)

    隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，嵌入式PC在工業(yè)控制、測量儀器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(qiáng)大的各種標(biāo)準(zhǔn)接口，如：平板/VGA顯示器控制接口、光驅(qū)接口、以太網(wǎng)接口、RS-232/422/485接口、PC/AT鍵盤接口等。這就為新產(chǎn)品開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)PC鍵盤接口，也就是說，可以用標(biāo)準(zhǔn)的PC/AT鍵盤來對嵌入式PC進(jìn)行操作與控制。然而，在很多實(shí)際應(yīng)用中，需要用到鍵的數(shù)量和類型有很大的差異，并希望鍵盤具有體積小巧、便于布放等特點(diǎn)。因此，希望能夠設(shè)計(jì)一種小巧、靈活的PC非標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，來滿足用戶需求。

    本文根據(jù)課題要求，設(shè)計(jì)了一種由AT89C52實(shí)現(xiàn)的PC非標(biāo)準(zhǔn)鍵盤。下面對其硬件設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)及PS/2鍵盤通信協(xié)議分別進(jìn)行介紹。

1硬件設(shè)計(jì)

    圖1為該鍵盤電路原理圖，由ATMEL公司的微控制器AT89C52、邏輯系統(tǒng)（包括看門狗復(fù)位電路X25045和晶體振蕩電路）、矩陣鍵盤三部分組成。AT89C52單片機(jī)主要完成鍵盤掃描，確定鍵盤閉合斷開的信息，并發(fā)送鍵碼和同步時(shí)鐘到工控機(jī)；邏輯系統(tǒng)提供起振信號及看門狗定時(shí)復(fù)位功能，防止出現(xiàn)死機(jī)；矩陣鍵盤為4×4的行列式鍵盤，當(dāng)有鍵按下時(shí)產(chǎn)生低電平觸發(fā)信號，便于單片機(jī)檢測有效的按鍵操作。該鍵盤由4×4=16個(gè)按鍵組成，其中行線為P0.4～P0.7，列線為P0.3～P0.0。P3.0為鍵碼數(shù)據(jù)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(jī)提供。

    由于AT89C52的IO端口為32個(gè)，除看門狗電路的輸入輸出端CS、SI、SO、SCK、以及鍵碼數(shù)據(jù)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(dú)立響應(yīng)13× 13=169個(gè)鍵的輸入，不僅可滿足標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的多鍵需求，也可滿足工控機(jī)常用控制鍵的要求。X25045為看門狗電路，它實(shí)時(shí)接收來自AT89C52的CS信號，并自動(dòng)判斷兩次信號的間隔時(shí)間。當(dāng)時(shí)間間隔到達(dá)設(shè)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(fù)位。此外增加了發(fā)光二極管LED，用來指示鍵盤的工作狀態(tài)。

圖1鍵盤電路原理圖

    （1）具有8K字節(jié)可編程閃存；

    （2）256×8字節(jié)內(nèi)部RAM；

    （3）32根可編程I/O線；

    （4）3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器；

    （5）8個(gè)中斷源；

    （6）可編程串行UART通道

2 PS/2協(xié)議

    標(biāo)準(zhǔn)鍵盤和工控機(jī)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(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)鍵盤也必須嚴(yán)格按照該協(xié)議，這樣才能為系統(tǒng)正確識別和作出響應(yīng)。PS/2鍵盤接口標(biāo)準(zhǔn)由IBM公司于1987年推出，該標(biāo)準(zhǔn)采用了6腳mini—DIN連接器（見圖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掃描碼集，同時(shí)支持l7個(gè)主機(jī)到鍵盤的命令。

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(shù)據(jù)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鍵盤與PC機(jī)的物理連接，只要保證這4根線一一對應(yīng)就可以了。鍵盤靠PC的PS/2端口提供+5V電源，因此不需要專門電源。另外時(shí)鐘腳Clock和數(shù)據(jù)腳Data都是集電極開路的，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(jī)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Clock(時(shí)鐘腳)同步，并通過Data(數(shù)據(jù)腳)交換數(shù)據(jù)。PS/2的數(shù)據(jù)是按幀進(jìn)行傳輸?shù)?，每一?shù)據(jù)幀包含l1～12個(gè)位，其中鍵盤發(fā)送的數(shù)據(jù)幀為11位。1個(gè)起始位（低電平）、8個(gè)數(shù)據(jù)位(低位在前，高位在后)、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位（采用奇校驗(yàn)）、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(shù)據(jù)的接收，鍵碼中每個(gè)數(shù)據(jù)位的傳送發(fā)生在鍵盤時(shí)鐘的下降沿。最大的時(shí)鐘頻率是33kHz 而且大多數(shù)設(shè)備工作在10～20kHz，推薦頻率在15kHz左右^[2]。

    當(dāng)有鍵按下時(shí)，鍵盤發(fā)送一個(gè)接通碼給主機(jī)，接通碼值在00～7F之間。當(dāng)按鍵松開后，鍵盤首先發(fā)送斷開碼標(biāo)志F0H，然后再發(fā)送該鍵的接通碼。如果按鍵按下0.5秒仍沒斷開，則以每秒6個(gè)鍵碼的速率發(fā)送到主機(jī)。Clock和Data必須為高電平時(shí)，才能傳送鍵碼數(shù)據(jù)。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(jī)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)看門狗功能，完成單片機(jī)的自動(dòng)復(fù)位，防止軟件出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。定時(shí)器1中斷子程序用于設(shè)定時(shí)鐘高低電平的持續(xù)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)檢測有無鍵被按下、判斷哪個(gè)鍵被按下并確定對應(yīng)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(yīng)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，若斷開則發(fā)送斷開掃描碼和時(shí)鐘信號。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖