一種嵌入式PC非標準鍵盤的設計

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44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44=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

（1）具有8K字節(jié)可編程閃存；

（2）2568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

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