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[導讀]本文在介紹PS/2通信協(xié)議的基礎上,利用AT89C52實現(xiàn)了一種PC非標準鍵盤的設計。給出了其完整的硬件實現(xiàn)電路圖和主要的軟件開發(fā)方法。

摘要:隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展,嵌入式PC得到了廣泛應用。標準的PC鍵盤由于體積大,按鍵多等原因在多數(shù)情況下不能滿足要求。本文在介紹PS/2通信協(xié)議的基礎上,利用AT89C52實現(xiàn)了一種PC非標準鍵盤的設計。給出了其完整的硬件實現(xiàn)電路圖和主要的軟件開發(fā)方法。該鍵盤具有結構簡單、工作穩(wěn)定、便于擴展等特點,并已在某型航空圖像回傳系統(tǒng)中得到具體應用。
關鍵詞
:鍵盤,PS/2協(xié)議,單片機,嵌入式系統(tǒng)

    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、以太網接口、RS-232/422/485接口、PC/AT鍵盤接口等。這就為新產品開發(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鍵盤接口,也就是說,可以用標準的PC/AT鍵盤來對嵌入式PC進行操作與控制。然而,在很多實際應用中,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。因此,希望能夠設計一種小巧、靈活的PC非標準鍵盤,來滿足用戶需求。

    本文根據(jù)課題要求,設計了一種由AT89C52實現(xiàn)的PC非標準鍵盤。下面對其硬件設計、軟件實現(xiàn)及PS/2鍵盤通信協(xié)議分別進行介紹。

1硬件設計

    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)(包括看門狗復位電路X25045和晶體振蕩電路)、矩陣鍵盤三部分組成。AT89C52單片機主要完成鍵盤掃描,確定鍵盤閉合斷開的信息,并發(fā)送鍵碼和同步時鐘到工控機;邏輯系統(tǒng)提供起振信號及看門狗定時復位功能,防止出現(xiàn)死機;矩陣鍵盤為4×4的行列式鍵盤,當有鍵按下時產生低電平觸發(fā)信號,便于單片機檢測有效的按鍵操作。該鍵盤由4×4=16個按鍵組成,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AT89C52的IO端口為32個,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和時鐘輸出端Clock外,還剩26個可用端口,這樣,其最大可獨立響應13× 13=169個鍵的輸入,不僅可滿足標準鍵盤的多鍵需求,也可滿足工控機常用控制鍵的要求。X25045為看門狗電路,它實時接收來自AT89C52的CS信號,并自動判斷兩次信號的間隔時間。當時間間隔到達設定時間時,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,用來指示鍵盤的工作狀態(tài)。


圖1鍵盤電路原理圖


    AT89C52微控制器具有如下特點[1]

    (1)具有8K字節(jié)可編程閃存;

    (2)256×8字節(jié)內部RAM;

    (3)32根可編程I/O線;

    (4)3個16位定時計數(shù)器;

    (5)8個中斷源;

    (6)可編程串行UART通道

2 PS/2協(xié)議

    標準鍵盤和工控機或者嵌入式PC之間是按照PS/2協(xié)議進行通信的,因此設計的非標準鍵盤也必須嚴格按照該協(xié)議,這樣才能為系統(tǒng)正確識別和作出響應。PS/2鍵盤接口標準由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,同時支持l7個主機到鍵盤的命令。

圖2  PS/2端口示意圖

    PS/2接口的6個引腳只有4個有定義,它們分別是1腳Data(數(shù)據(jù)腳)、5腳Clock(時鐘腳)、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機的物理連接,只要保證這4根線一一對應就可以了。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)是按幀進行傳輸?shù)?,每一?shù)據(jù)幀包含l1~12個位,其中鍵盤發(fā)送的數(shù)據(jù)幀為11位。1個起始位(低電平)、8個數(shù)據(jù)位(低位在前,高位在后)、1個奇偶校驗位(采用奇校驗)、1個停止位(高電平)。在鍵碼傳送的同時,微控制器還傳送1個鍵碼時鐘同步信號,用于同步鍵碼數(shù)據(jù)的接收,鍵碼中每個數(shù)據(jù)位的傳送發(fā)生在鍵盤時鐘的下降沿。最大的時鐘頻率是33kHz 而且大多數(shù)設備工作在10~20kHz,推薦頻率在15kHz左右[2]。

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

    圖3為接通鍵碼為2C,即按下t鍵時,鍵碼和時鐘的傳送時序。

圖3 鍵碼2C傳輸時的通信時序   


3軟件實現(xiàn)

    軟件包括定時0中斷子程序、定時1中斷子程序、主程序等。其中,定時器0中斷子程序用于定時(如50ms)檢測單片機工作狀態(tài),實現(xiàn)看門狗功能,完成單片機的自動復位,防止軟件出現(xiàn)死機現(xiàn)象。定時器1中斷子程序用于設定時鐘高低電平的持續(xù)時間,即確定時鐘的頻率,這里采用的時鐘頻率為16 kHz。主程序循環(huán)檢測有無鍵被按下、判斷哪個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鐘信號。如有鍵被按下,則輸出相應的鍵碼同時并輸出同步時鐘信號。然后再掃描按鍵是否斷開,若斷開則發(fā)送斷開掃描碼和時鐘信號。主程序流程如圖4所示。


圖4 主程序流程圖   


 

    這里值得注意的是:一是鍵盤斷開標志碼0F0H和接通碼之間應該有一定的延時(幾十毫秒即可);二是鍵盤數(shù)據(jù)位應該在時鐘下降沿到來之前就應該準備好,即應該有十幾微秒的提前量。

4結束語

    經過實際測試,該鍵盤工作穩(wěn)定,能夠對嵌入式PC進行正確的操作和輸入控制,并且已在某型航空圖像回傳系統(tǒng)中得到具體應用。本文設計的非標準鍵盤具有結構簡單、靈活性強、易于編程、體積小、成本低的特點,并可根據(jù)用戶需要隨意設計和布放,對使用工控機的各種測試與控制儀器具有通用性,只要稍加改動就可應用于其它嵌入式應用的場合。

    本文作者的創(chuàng)新點:根據(jù)課題任務要求,用單片機AT89C52實現(xiàn)了對嵌入式工控PC的非標準鍵盤輸入,進而控制整個系統(tǒng)的運行。該鍵盤實現(xiàn)簡單、工作穩(wěn)定,較傳統(tǒng)的標準鍵盤具有體積小、靈活性強的特點,同時對于其它嵌入式工控PC應用系統(tǒng)具有通用性。因此,該設計具有良好的市場前景和推廣應用價值。

參考文獻:
[1] ATMEL公司,AT89C52中文數(shù)據(jù)手冊.
[2]Roy Show.PS/2鍵盤鼠標協(xié)議,2002.
[3] 張開生,李霞,王金廣,工業(yè)控制計算機紅外線遙控鍵盤的設計,微計算機信息,2005.16:122-124

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