0 引言
AT89C52是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能，片內含8 k可反復檫寫的單片機，具有外圍硬件電路簡單，體積小，可靠性高，選用其完成鍵盤的監(jiān)控任務，在實際應用中，有時侯可能不小心按下鍵盤的按鍵，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)，需要將鍵盤鎖定，還要對某些鍵采取屏蔽措施，但是PC標準鍵盤不能滿足這些要求。本文介紹一種用89C52設計實現的可鎖定加密PC／AT鍵盤。另外，本鍵盤固定于主機操控臺，因此，又具有一定的抗振性和密封性。
1 鍵盤功能及工作原理
PC鍵盤功能主要有按鍵識別、去抖、重鍵處理、發(fā)送掃描碼、自動重發(fā)、接收鍵盤命令、處理命令等。鍵盤有編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤程序設計簡單，但硬件電路復雜，價格較高；非編碼鍵盤用軟件來實現識別鍵、編碼轉換、去抖等功能，硬件電路簡單，價格便宜。本鍵盤采用非編碼鍵盤，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協議
PS／2協議是外設與主機之間通信的一種同步雙向串行協議。在該協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行的發(fā)送過程。PS／2協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)送時低位在前，高位在后。外設每收到主機發(fā)來的1幀數據，都要緊隨該幀的停止位發(fā)送一個握手位．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 鍵盤到PC鍵盤接口的通信
當時鐘線和數據線均為高電平時，允許鍵盤發(fā)送數據。系統將接收數據；當時鐘線被拉為低電平時，表明系統禁止數據傳輸。圖1給出了發(fā)送時序，包含1個低電平觸發(fā)的起始位、8位數據位、1個奇校驗位和1個高電平的結束位。
2．1．1 PC系統到鍵盤的通信協議
若時鐘線出現高電平，數據線出現低電平，表明系統請求發(fā)送，鍵盤準備產生同步時鐘脈沖串，并接收數據。包含了1個低電平觸發(fā)的起始位、8位數據位、1個奇校驗位、1個應答位、1個高電平的結束位。
2．1．2 鍵盤命令及執(zhí)行過程
(1)FFH：復位鍵盤。系統通過此軟件復位命令使鍵盤進入程序復位和內部自測試，稱為基本保證測試(BAT)。復位鍵盤的過程如下：
①鍵盤收到FFH后立即回送ACK(FAH)作答；
②鍵盤接口收到ACK后，將鍵盤時鐘和數據線置為高電平；
③鍵盤檢測到此狀態(tài)后開始BAT操作；
④如果BAT正確完成，鍵盤發(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送來的任何傳輸錯誤時，它便向鍵盤發(fā)送FEH命令。鍵盤接收到此命令后，將重新送出原來的內容。
(3)FDH～F7H：空操作(保留未用)。
(4)F6H：設置缺省值。此命令使鍵盤所有條件復位到電源接通時的缺省狀態(tài)，鍵盤繼續(xù)掃描。
(5)F5H：設置缺省值和停止鍵盤。此命令使鍵盤所有條件復位到電源接通時的缺省狀態(tài)，并停止鍵盤掃描，等待下一個鍵盤命令。
(6)F4H：啟動鍵盤。鍵盤接收到此命令后，用ACK(FAH)作答，清除輸出緩沖器，并啟動鍵盤開始掃描。
(7)F3H：設置拍發(fā)速率和延時參數。每當按下任一鍵時，鍵盤以拍發(fā)速率連續(xù)送出鍵的接通碼，直到鍵被釋放為止。延時參數是指按下一鍵后，鍵盤輸出的響應時間。
系統缺省設置：拍發(fā)速率=10個／s±20％，延時=500ms±20％。
當要改變設置時可以使用F3H命令，并后跟一個字節(jié)的參數。
計算拍發(fā)速率和響應延時的公式如下：
拍發(fā)速率=1／[8+A]×2B×0．004 17](1／s)
響應延時=(1+C)×250(ms)
注：缺省的延時參數值為2CH。
此命令的執(zhí)行過程如下：
①鍵盤收到F3H命令后，用FAH予以響應，并停止掃描和等待隨后的參數；
②鍵盤若收到隨后的設置參數，用另一個ACK響應，并按其參數設置新的拍發(fā)速率和響應延時，之后重新開始掃描(若鍵盤原來是開放的)；
③鍵盤若收到FAH命令，但無隨后的設置參數，則鍵盤結束命令設置，并保持原來的拍發(fā)速率和響應延時，停止掃描。[!--empirenews.page--]
(8)F2H，F1H，EFH：保留未用。
(9)F0H：設置鍵盤掃描碼命令。此命令用于設置鍵盤的掃描碼，后跟參數指定三種掃描碼的哪一種。鍵盤復位時，默認掃描碼是第二種。
(10)EEH：回送命令。此命令用于輔助診斷，要求鍵盤接收到EEH時也要回送
EEH予以響應。若鍵盤原來是開放的，則繼續(xù)掃描。
EDH：置位／復位LED指示器。鍵盤右上角有三個LED指示器，分別反映Caps、Num和Scroll三個鍵的鎖定情況。
此命令執(zhí)行過程與F3H相似。若命令后跟參數，則按參數設定LED狀態(tài)并繼續(xù)掃描。若僅有命令無參數，則不改變LED原狀態(tài)，并停止掃描。
2．1．3 鍵盤響應
鍵盤在下列四種情況下都會向鍵盤接口發(fā)送數據。
(1)按下任一鍵，鍵盤以拍發(fā)速率向接口發(fā)送鍵盤接通掃描碼。
(2)釋放所按下的鍵，鍵盤發(fā)送斷開掃描碼。
(3)系統向鍵盤發(fā)送鍵盤命令后，鍵盤回送應答。
(4)當用戶按鍵速度超出鍵盤所能容納的最大鍵個數時，鍵盤做出響應。
后三種情況稱為鍵盤響應。響應字節(jié)有7個，定義如下。
①FEH：重新發(fā)送響應。當鍵盤收到一個無效的鍵盤命令，或者檢測到奇偶錯的鍵盤命令時，鍵盤回送響應字節(jié)為FEH，要求系統重發(fā)鍵盤命令。
②FAH：正常應答。對任何一個有效的鍵盤命令，鍵盤回送FAH予以響應。
③00H：超限應答。當用戶按鍵速度超出鍵盤所能容納的最大鍵符個數時(16個字節(jié)的緩沖器)，鍵盤發(fā)送00H。
④FDH：診斷故障應答。鍵盤接受軟件復位命令，執(zhí)行自測試過程中。若檢測到故障，則以FDH應答。此時，鍵盤停止掃描并等待下一個鍵盤命令。
⑤AAH：診斷正常應答。鍵盤在軟件復位過程中，正常完成BAT測試，以AAH應答。
⑥EEH：回響命令的應答，對鍵盤EEt{命令的應答。
⑦F0H：斷開掃描碼前綴，鍵盤對鍵符按下后釋放的應答，第一個字節(jié)為F0H，第二個字節(jié)為接通掃描碼(有幾個鍵例外)。
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8位I／O端口，因此可以采用PO再加上P2口的4個(P2．0到P2．5)作為行掃描線。P1口作為列輸入線(如果用PO口作列輸入線，必須加上拉電阻)。采用P3．0、P3．1作為數據線和時鐘線與PC系統進行通信，用P3．4、P3．5、P3．6控制鍵盤上的3個指示燈。硬件原理如圖1所示。鍵盤與計算機通過一個五芯(PS／2接口為六芯)插座相接，4個有效引腳的定義分別是電源(VCC)、地(GND)、串行時鐘線(SCK)、串行數據線(SIO)。
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4 軟件設計
(1)消抖及重鍵處理：通過軟件上延時程序來消除抖動；采用后按鍵優(yōu)先處理，即多鍵同時按下時，只重復發(fā)送最后按下鍵的掃描碼。
(2)程序包括鍵盤掃描子程序、發(fā)送鍵碼子程序、發(fā)送數據子程序、接收命令子程序、定時器1中斷服務程序、主程序等。鍵盤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(qū)鍵的接通碼或斷開碼發(fā)送給計算機鍵盤接口或者存在鍵盤密碼緩沖區(qū)中；發(fā)送數據子程序用于將數據發(fā)給計算機鍵盤接口；接收命令子程序用于接收計算機鍵盤接口發(fā)來的鍵盤命令；定時器1中斷服務子程序用于給程序中的延時提供標準時鐘，并具有軟件看門狗功能，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
該鍵盤的設計從軟、硬件都作了周密考慮，可靠性好，穩(wěn)定性強，特別適合部隊野外訓練使用。本鍵盤可以在標準的鍵盤基礎上進行改造，只需換掉原來的控制芯片即可，可節(jié)省設計成本。具有很好的發(fā)展前景。
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