51單片機系統(tǒng)與標準PC鍵盤的接口模塊設計

概述
在單片機系統(tǒng)中，當輸入按鍵較多時，在硬件設計和軟件編程之間總存在著矛盾。對于不同的單片機系統(tǒng)需要進行專用的鍵盤硬件設計和編程調試，通用性差，使項目開發(fā)復雜化。標準PC鍵盤在工藝與技術上都已相當成熟，而且工作穩(wěn)定，價格低廉。本設計實現了一個接口模塊，它將標準PC鍵盤發(fā)出的位置掃描碼，變換為標準的ASCII碼和OEM掃描碼或Windows虛擬鍵代碼，再以并行或串行方式傳送給上位單片機。

接口模塊的特點
該模塊在PC鍵盤與上位單片機之間起轉換作用，它屏蔽了與PC鍵盤進行數據和命令交互的復雜過程，大大簡化了上位單片機系統(tǒng)的輸入設計；它實現了類似DOS操作系統(tǒng)中鍵盤中斷服務程序的功能，使設計人員只需關心接收按鍵的結果，并可使用標準的鍵盤編碼進行編程；它要求上位單片機通過8位并行接口與其相接，對于不能提供并行接口的系統(tǒng)，可使用SPI兼容的同步串行接口與其相接，特別是對于那些希望占用單片機的系統(tǒng)資源少而需要擴展的鍵數較多、儀器整體需要美觀大方的應用場合，其性能價格比更具優(yōu)勢。該模塊與單片機系統(tǒng)的連接關系如圖1所示，在圖中也給出與上位單片機相接的20腳接插件的信號定義。

計算機中標準PC機鍵盤的工作原理

圖1 該模塊與上位單片機系統(tǒng)的連接關系及信號定義

圖2 鍵盤接口時序(a) 鍵盤發(fā)送時序；(b) 鍵盤接收時序

圖3 單片機系統(tǒng)與標準PC鍵盤接口模塊原理框圖

鍵盤與主機通過鍵盤插頭相接，鍵盤插頭有5芯大插頭和6芯小插頭(PS/2接口)兩種。接口信號有：電源、地、鍵盤時鐘KB_CLK、鍵盤數據KB_DAT。正常工作時，鍵盤電路不斷地掃描鍵盤矩陣。若有鍵按下，則以串行方式發(fā)送按鍵的位置掃描碼給主板鍵盤接口電路。按下鍵時，發(fā)送接通掃描碼，松開鍵時，發(fā)送該鍵的斷開掃描碼。斷開掃描碼一般是在接通掃描碼前加一個斷開標志字節(jié)F0H。若某鍵一直按下，則以按鍵重復率連續(xù)發(fā)送該鍵的接通掃描碼。掃描碼與按鍵的位置有關，與該鍵的ASCII碼并無對應關系。表1第二列給出經實際測試得到的若干按鍵的位置掃描碼。由表1可見，根據鍵的按下或釋放及所按鍵的不同，這個序列可以是1、2、3、4、6、或8字節(jié)，可稱之為位置掃描碼序列。

標準鍵盤與主機的通信是雙向的，并采用11位的串行異步通信格式，這11位數據包括：起始位0、8位數據位(LSB在先)、奇校驗位P、停止位1。圖2(a)給出了鍵盤發(fā)送時序。數據(KB_DAT)在時鐘(KB_CLK)的上升沿改變，下降沿時有效，可被主機讀取。圖2(b)給出鍵盤接收時序。主機發(fā)送前，先將KB_CLK拉低，以抑制鍵盤發(fā)送，再將KB_DAT拉低發(fā)送起始位，然后釋放KB_CLK線，鍵盤接管KB_CLK并產生時鐘信號，主機在KB_CLK信號同步下發(fā)送其他位。

標準PC鍵盤接口模塊的工作原理
基本工作原理概述
該模塊的原理框圖如圖3所示。PC鍵盤與該模塊通過專用插座相連，數據KB_DAT接到AT89C2051的P3.0引腳，時鐘KB_CLK接到引腳。在PC鍵盤有鍵按下時，KB_CLK信號會引起AT89C2051的連續(xù)中斷，通過定時器T0與外中斷的協(xié)同工作，可將PC鍵盤發(fā)出的位置掃描碼序列接收至緩沖區(qū)中。然后，在主程序中將位置掃描碼解碼、查表換算，再編碼成一字節(jié)的WINDOWS虛擬鍵代碼或兩字節(jié)的OEM掃描碼與ASCII碼，并存入系統(tǒng)中FIFO棧。在上位單片機可以接收新鍵值時，將FIFO棧中編碼數據以并行或串行方式傳送給上位單片機。

為了能更清楚地指示系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)，在硬件上加裝了電源、正在解碼、FIFO棧溢出、碼值準備好等指示燈。

中斷解碼的工作原理
由于鍵盤的按鍵輸入是隨機的，為了能實時地響應，在程序中使用定時器T0中斷和中斷協(xié)同工作，將位置掃描碼序列恢復至鍵盤接收緩沖區(qū)中。中斷服務程序用來將碼值的一位移入緩沖區(qū)中，T0溢出的中斷服務程序主要用來判斷一次按鍵所發(fā)出的碼是否已全部接收。系統(tǒng)設置T0的定時間隔為5ms，并在系統(tǒng)啟動后就開始定時。由于在正常接收每個按鍵的碼值序列過程中，鍵盤發(fā)送的每位數據間隔不會大于5ms，因此在每次中斷服務中，首先要判斷T0是否溢出過，若曾經溢出，則認為該次中斷是一次新碼值接收的開始，需將位計數器清零，否則只需移入一位數據即可，然后重新啟動定時器，退出中斷服務程序。在新按鍵碼值序列接收完成后，設置blnDataValid標志，以通知主程序。

主程序的工作原理
主程序主要有四個任務：①將鍵盤接收緩沖區(qū)的位置掃描碼通過查表等算法換成統(tǒng)一編碼的一個字節(jié)Windows虛擬鍵代碼或兩個字節(jié)的OEM掃描碼與ASCII碼；②根據系統(tǒng)中CAPS LOCK鍵、NUM LOCK鍵及SCROLL LOCK鍵的狀態(tài)信息控制鍵盤上三個指示燈的亮滅；③系統(tǒng)中設立的FIFO棧的維護；④與上位單片機碼值傳送的握手交互過程。主程序的流程圖如圖4所示。