本發(fā)明專利涉及單片機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于單片機(jī)技術(shù)的ps2計(jì)算機(jī)鍵盤接口設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

在野外工作中，很多工控pc機(jī)的鍵盤因受惡劣環(huán)境影響不利于鍵盤的使用而處于閑置狀態(tài)，從而降低了工作效率。因此需要設(shè)計(jì)一種適用性比較廣，并且可以克服惡劣環(huán)境的鍵盤。單片機(jī)因其性價(jià)比高，處理能力強(qiáng)，且抗干擾能力好，在醫(yī)療器械、機(jī)電液控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀黝惞た叵到y(tǒng)和設(shè)備儀器中得到廣泛應(yīng)用。一方而，在實(shí)際應(yīng)用中，單片機(jī)經(jīng)常需要將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給pc機(jī)進(jìn)行處理或保存等；另一方而，工控系統(tǒng)和設(shè)備儀器設(shè)計(jì)，因環(huán)境或軟硬件資源的限制，也往往需要不同的通信接口。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)具有通用性的ps/2鍵盤既方便pc機(jī)進(jìn)行外設(shè)擴(kuò)展，又豐富了單片機(jī)的接口資源。單片機(jī)與pc機(jī)常用的數(shù)據(jù)通信協(xié)議為rs-232通信協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)格式是二進(jìn)制，而單片機(jī)通過ps/2鍵盤協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式是ascii碼，可以直接以常用的文本文件和表格文件的形式進(jìn)行處理和保存。目前，單片機(jī)采用ps/2協(xié)議進(jìn)行通信較多的是單片機(jī)接收ps/2鍵盤設(shè)備的數(shù)據(jù)，而以單片機(jī)作為鍵盤與pc機(jī)通信則較為少見。at89c52是美國atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能，片內(nèi)含8k可反復(fù)擦寫的單片機(jī)，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(wù)，在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)候可能不小心按下鍵盤的按鍵，改變了設(shè)備或儀器的參數(shù)和狀態(tài)，使系統(tǒng)運(yùn)行不正常。為計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)鍵盤不能滿足這些要求。

發(fā)明專利內(nèi)容

本發(fā)明專利屬于單片機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于單片機(jī)技術(shù)的ps2計(jì)算機(jī)鍵盤接口設(shè)計(jì)，本發(fā)明提出用一種at89c52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)具有標(biāo)準(zhǔn)ps/2接口的矩陣鍵盤。

針對一些在各種惡劣環(huán)境中使用的高精度、高可靠性測量系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了適合這種系統(tǒng)使用的專用鍵盤，該鍵盤硬件電路簡單，軟件設(shè)計(jì)具有安全可靠、容錯(cuò)能力強(qiáng)，可以直接應(yīng)用于各種使用ps2協(xié)議的操作系統(tǒng)中，并保留標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的全部功能。

附圖說明

圖1：系統(tǒng)原理框圖。

圖2：at89c52與pc機(jī)接口電路示意圖。

圖3：鍵盤按鍵構(gòu)成電路圖。

圖4：標(biāo)準(zhǔn)鍵盤接頭插座示意圖。

圖5：鍵盤到pc機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序圖。

圖6：pc機(jī)到鍵盤的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明專利的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明專利進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明專利，并不用于限定本發(fā)明專利。

本發(fā)明專利屬于單片機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于單片機(jī)技術(shù)的ps2計(jì)算機(jī)鍵盤接口設(shè)計(jì)，本發(fā)明提出用一種at89c52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)具有標(biāo)準(zhǔn)ps/2接口的矩陣鍵盤。

針對一些在各種惡劣環(huán)境中使用的高精度、高可靠性測量系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了適合這種系統(tǒng)使用的專用鍵盤，該鍵盤硬件電路簡單，軟件設(shè)計(jì)具有安全可靠、容錯(cuò)能力強(qiáng)，可以直接應(yīng)用于各種使用ps2協(xié)議的操作系統(tǒng)中，并保留標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的全部功能。

硬件設(shè)計(jì)

進(jìn)一步的，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用89c52單片機(jī)為核心，通過模擬接口硬件設(shè)計(jì)和模擬接口軟件設(shè)計(jì)，使由89c52做成的鍵盤發(fā)送的數(shù)據(jù)可以通過ps/2協(xié)議被pc機(jī)識別，以達(dá)到將89c52作為鍵盤使用于pc機(jī)的目的。52內(nèi)核具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低的特點(diǎn)。此方案具有效率、穩(wěn)定、簡便的優(yōu)點(diǎn)。

（1）接口電路設(shè)計(jì)

進(jìn)一步的，本發(fā)明采用atmel公司的at89c52單片機(jī)作為模擬鍵盤，與pc機(jī)的接口電路如圖2所示。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)為鍵盤通信模塊，需要運(yùn)行的任務(wù)較少，所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)可直接將單片機(jī)上的p1.0口作為數(shù)據(jù)線，p1.1口作為時(shí)鐘線。單片機(jī)的供電可直接從pc機(jī)的ps/2接口上獲取。

（2）鍵盤按鍵設(shè)計(jì)

進(jìn)一步的，鍵盤構(gòu)成電路如圖3所示，鍵盤由按鍵陣列和識鍵、通訊電路構(gòu)成。按鍵設(shè)置在行列線交叉點(diǎn)上，行列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。行線通過上拉電阻接到+5v上。平時(shí)無按鍵動(dòng)作時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。如果列線為低電平，則行線為低電平；如果列線為高電平，則行線也為高電平。這是識別矩陣鍵盤按鍵是否被按下的關(guān)鍵。

（3）標(biāo)準(zhǔn)鍵盤工作原理

進(jìn)一步的，標(biāo)準(zhǔn)鍵盤接口如圖4所示，插頭(plug)由一個(gè)定位銷和六根金屬引腳組成。各引腳定義分別是電源(vcc)、電源地線(gnd)，串行時(shí)鐘線(clk)和串行數(shù)據(jù)線(data)剩余兩根引腳保留。pc機(jī)通過電源線和地線向ps/2鍵盤提供+5v電源。插座(socket)與插頭配套使用，其各引腳的定義和插頭類似。標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(也稱設(shè)備或外設(shè))與pc機(jī)(也稱主機(jī))可以相互傳送數(shù)據(jù)，采用的是雙向同步串行協(xié)議。pc機(jī)具有總線控制權(quán)，可以拉低時(shí)鐘線來抑制或終止鍵盤的數(shù)據(jù)發(fā)送。ps/2通信協(xié)議采用的是標(biāo)準(zhǔn)的串行異步通信數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)幀的格式為：1位起始位(總為0)，8位數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗(yàn)位(奇校驗(yàn))、1位停止位(總為1)和1個(gè)應(yīng)答位ack(ack僅存在于主機(jī)對設(shè)備的通訊中)。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)低位在前，高位在后。外設(shè)每收到主機(jī)發(fā)來的1幀數(shù)據(jù)，都要緊隨該幀的停止位發(fā)送一個(gè)應(yīng)答位ack(0)應(yīng)答主機(jī)。然后，外設(shè)還要發(fā)應(yīng)答命令，表示外設(shè)已經(jīng)完整地接收到了主機(jī)的命令。pc機(jī)和鍵盤進(jìn)行通信時(shí)，不管是pc機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)還是鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)，都是由鍵盤給出時(shí)鐘脈沖。ps/2通信協(xié)議規(guī)定傳輸數(shù)據(jù)最大時(shí)鐘頻率是33khz，大多數(shù)ps/2設(shè)備的工作頻率為10~20khz，推薦值為15khz。pc機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)是在時(shí)鐘脈沖的上升沿被鍵盤讀取，而鍵盤發(fā)送的數(shù)據(jù)是在時(shí)鐘脈沖的下降沿被pc機(jī)讀取。pc機(jī)給鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)應(yīng)至少拉低時(shí)鐘線100us來抑制通信，在拉低時(shí)鐘線約60us后拉低數(shù)據(jù)線，然后釋放時(shí)鐘線來申請發(fā)送數(shù)據(jù)。如果鍵盤沒有改變時(shí)鐘線，pc機(jī)將維持這個(gè)狀態(tài)長達(dá)約15ms的時(shí)間，所以鍵盤應(yīng)在不超過10ms的時(shí)間間隔內(nèi)檢測出這個(gè)pc機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送請求狀態(tài)。在檢測到這個(gè)狀態(tài)后，鍵盤將按對應(yīng)數(shù)據(jù)包格式發(fā)出時(shí)鐘脈沖，pc機(jī)在脈沖低電平時(shí)改變數(shù)據(jù)線狀態(tài)。在接收停止位后，鍵盤拉低數(shù)據(jù)線一個(gè)時(shí)鐘周期以產(chǎn)生應(yīng)答位ack來響應(yīng)pc機(jī)。如果在第11個(gè)時(shí)鐘脈沖后，pc機(jī)仍不釋放數(shù)據(jù)線，則鍵盤應(yīng)繼續(xù)給出時(shí)鐘信號直至pc機(jī)釋放數(shù)據(jù)線，然后認(rèn)為該幀數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤。鍵盤給pc機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)應(yīng)先檢測是否為空閑狀態(tài)，即時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)數(shù)是否全為高。如果檢測到是空閑狀態(tài)，鍵盤就可以發(fā)送數(shù)據(jù)給pc機(jī)。鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)過程和pc機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)過程類似，都是由鍵盤根據(jù)數(shù)據(jù)包格式給出時(shí)鐘脈沖，但鍵盤是在脈沖線為高電平時(shí)改變數(shù)據(jù)。圖5為鍵盤到pc機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序，圖6為pc機(jī)到鍵盤的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序圖。簡要說明ps/2接口總線的三種主要狀態(tài)：空閑狀態(tài)，時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線全為高電平，此時(shí)鍵盤和pc機(jī)都可以申請發(fā)起一次數(shù)據(jù)傳輸，ps/2接口總線大部分時(shí)問都是這種狀態(tài)；pc機(jī)申請發(fā)送狀態(tài)，時(shí)鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線為低電平，在這種狀態(tài)下，鍵盤應(yīng)在10ms內(nèi)響應(yīng)并接收數(shù)據(jù)；pc機(jī)禁止通信狀態(tài)，時(shí)鐘線為低電平，數(shù)據(jù)線為高電平，pc機(jī)會以拉低時(shí)鐘線的方式來準(zhǔn)備申清傳輸數(shù)據(jù)或放棄一次正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。鍵盤和pc機(jī)是通過發(fā)送掃描碼來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。掃描碼分為通碼和斷碼兩種，當(dāng)一個(gè)鍵被按下時(shí)，就發(fā)送通碼，松開時(shí)就發(fā)送斷碼。通碼為一個(gè)十六進(jìn)制字節(jié)，斷碼由0xf0和通碼字節(jié)組成。比如，當(dāng)按下鍵盤的空格鍵時(shí)，鍵盤發(fā)送通碼(0x29)，松開時(shí)，鍵盤相繼發(fā)送斷碼(0xf0,0x29)。當(dāng)按組合鍵，應(yīng)該依照按鍵次序發(fā)送掃描碼，比如“shift+q”時(shí)，應(yīng)該發(fā)送(0x12),(0x15)，(0xf0,0x12)和(0xf0,0x15)?，F(xiàn)在通用的鍵盤采用的是第二套掃描碼，掃描碼和ascⅱ碼沒有邏輯上的關(guān)系，所以編程時(shí)可用表格方式來設(shè)計(jì)。

軟件設(shè)計(jì)

（1）軟件開發(fā)平臺

進(jìn)一步的，本發(fā)明程序使用c語言編寫，在keiluvision2中進(jìn)行編譯。keiluvision2是美國keilsoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)c語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng)c語言的語法來開發(fā)，與匯編相比，c語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用,而且大大的提高了工作效率和項(xiàng)目開發(fā)周期,他還能嵌入?yún)R編，可以在關(guān)鍵的位置嵌入，使程序達(dá)到接近于匯編的工作效率。keilc51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全windows界面，使您能在很短的時(shí)間內(nèi)就能學(xué)會使用keilc51來開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用程序。

（2）鍵盤掃描子程序

進(jìn)一步的，鍵盤在有按鍵按下時(shí)，向主機(jī)發(fā)送該按鍵的通碼，當(dāng)按鍵釋放時(shí)，發(fā)送斷碼。程序必須對鍵盤陣列進(jìn)行掃描，當(dāng)識別到某個(gè)按鍵剛剛按下時(shí)，便向主機(jī)發(fā)出該鍵通碼；識別到某按鍵剛剛松開時(shí)，便向主機(jī)發(fā)送該鍵斷碼。

（3）通訊子程序

進(jìn)一步的，ps/2鍵盤設(shè)備總是產(chǎn)生時(shí)鐘信號。如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)，它必須首先把時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線設(shè)置為“請求發(fā)送”狀態(tài)，如下所示：

（a）通過下拉時(shí)鐘線至少100微秒來抑制通訊；

（b）通過下拉數(shù)據(jù)線來應(yīng)用“請求發(fā)送”，然后釋放時(shí)鐘。鍵盤設(shè)備應(yīng)該在不超過10毫秒的間隔內(nèi)就要檢查這個(gè)狀態(tài)。當(dāng)鍵盤設(shè)備檢測到這個(gè)狀態(tài)，它將開始產(chǎn)生時(shí)鐘信號，并且時(shí)鐘脈沖標(biāo)記下輸入八個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位。主機(jī)僅當(dāng)時(shí)鐘線為低的時(shí)候改變數(shù)據(jù)線，而數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖的上升沿被鎖存。這在發(fā)生在設(shè)備到主機(jī)通訊的過程中正好相反。在停止位發(fā)送后，鍵盤設(shè)備要應(yīng)答接收到的字節(jié)，就是把數(shù)據(jù)線拉低并產(chǎn)生最后一個(gè)時(shí)鐘脈沖。

（4）鍵盤接收系統(tǒng)初始化

進(jìn)一步的，因?yàn)閜s/2接口不支持熱插拔，且開機(jī)需要通過pc機(jī)的自檢。如果在pc機(jī)已經(jīng)開啟后再接上鍵盤，由于pc機(jī)自檢時(shí)未檢測到鍵盤，就會認(rèn)為沒有鍵盤外設(shè)，所以這時(shí)候鍵盤是無法使用的。pc機(jī)初始化鍵盤的主要步驟包括:

（a）鍵盤上電首先發(fā)送自檢通過命令(0xaa);

（b）pc機(jī)發(fā)送重置狀態(tài)指示燈命令(0xed);

（c）pc機(jī)發(fā)送關(guān)閉所有指示燈命令(0x00);

（d）pc機(jī)發(fā)送讀取設(shè)備d命令(0xf2);

（e）pc機(jī)發(fā)送重置狀態(tài)指示燈命令(0xed);

（f）pc機(jī)發(fā)送打開所有指示燈命令(0x02);

（g）pc機(jī)發(fā)送設(shè)置機(jī)打速率命令(0xf3)。

以上所述僅為本發(fā)明專利的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明專利，凡在本發(fā)明專利的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。