89C51的計算機(jī)可鎖定加密鍵盤開發(fā)
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引 言
在智能儀器、自動控制等領(lǐng)域，已大量使用嵌入式PC，如Advantech公司的PC/104、AMD公司的DIMM-PC等。為適應(yīng)開放式、模塊化的要求，嵌入式PC具有標(biāo)準(zhǔn)的PC接口，如VGA顯示器控制接口、以太網(wǎng)接口、RS232接口、PC/AT鍵盤接口等。所以，可以用標(biāo)準(zhǔn)的PC鍵盤對嵌入式PC進(jìn)行操作與控制。鍵盤在輸入指令之后，可能很長一段時間不用。為計算機(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。本文介紹一種用89C51設(shè)計實現(xiàn)的可鎖定加密PC/AT鍵盤。
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(shè)計簡單，但硬件電路復(fù)雜，價格較高；非編碼鍵盤用軟件來實現(xiàn)識別鍵、編碼轉(zhuǎn)換、去抖等功能，硬件電路簡單，價格便宜?，F(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)中廣泛采用非編碼鍵盤。PC鍵盤多采用18行×8列的二維矩陣行列結(jié)構(gòu)。采用行掃描法識別按下的按鍵。
2 PS/2協(xié)議
PS/2協(xié)議是外設(shè)與主機(jī)之間通信的一種同步雙向串行協(xié)議。在該協(xié)議中主機(jī)擁有較高的優(yōu)先級，在一定條件下可以終止外設(shè)正在進(jìn)行的發(fā)送過程。PS/2協(xié)議采用的傳送數(shù)據(jù)幀的格式為：1位起始位（0）、8位數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗位、1位停止位（1）。數(shù)據(jù)發(fā)送時低位在前，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)送一個握手位ACK（0）應(yīng)答主機(jī)。然后，外設(shè)還要發(fā)1幀應(yīng)答數(shù)據(jù)（0xF0），表示外設(shè)已經(jīng)完整地接收到了主機(jī)的命令；而主機(jī)則不需發(fā)送握手位，也不需要發(fā)送應(yīng)答幀。
2.1 鍵盤到PC鍵盤接口的通信
當(dāng)時鐘線和數(shù)據(jù)線均為高電平時，允許鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將接收數(shù)據(jù)；當(dāng)時鐘線被拉為低電平時，表明系統(tǒng)禁止數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)位、1個奇校驗位和1個高電平的結(jié)束位。
2.2 PC系統(tǒng)到鍵盤的通信協(xié)議
若時鐘線出現(xiàn)高電平，數(shù)據(jù)線出現(xiàn)低電平，表明系統(tǒng)請求發(fā)送，鍵盤準(zhǔn)備產(chǎn)生同步時鐘脈沖串，并接收數(shù)據(jù)。包含了1個低電平觸發(fā)的起始位、8位數(shù)據(jù)位、1個奇校驗位、1個應(yīng)答位、1個高電平的結(jié)束位。圖2為時序圖。
(1)鍵盤命令及執(zhí)行過程
① FFH：復(fù)位鍵盤。系統(tǒng)通過此軟件復(fù)位命令使鍵盤進(jìn)入程序復(fù)位和內(nèi)部自測試，稱為基本保證測試（BAT）。復(fù)位鍵盤的過程如下：
a. 鍵盤收到FFH后立即回送ACK（FAH）作答；
b. 鍵盤接口收到ACK后，將鍵盤時鐘和數(shù)據(jù)線置為高電平；
c. 鍵盤檢測到此狀態(tài)后開始BAT操作；
d. 如果BAT正確完成，鍵盤發(fā)送AAH以表示結(jié)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(dāng)系統(tǒng)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(nèi)容。
③ FDH~F7H：空操作（保留未用）。
④ F6H：設(shè)置缺省值。此命令使鍵盤所有條件復(fù)位到電源接通時的缺省狀態(tài)，鍵盤繼續(xù)掃描。
⑤ F5H：設(shè)置缺省值和停止鍵盤。此命令使鍵盤所有條件復(fù)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(shè)置拍發(fā)速率和延時參數(shù)。每當(dāng)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(shù)是指按下一鍵后，鍵盤輸出的響應(yīng)時間。
系統(tǒng)缺省設(shè)置：拍發(fā)速率=10個/s±20%，延時=500ms±20%。
當(dāng)要改變設(shè)置時可以使用F3H命令，并后跟一個字節(jié)的參數(shù)。參數(shù)定義如表1所列。
表1
| D6 D5 | D4 D3 | D2 D1 D0 |
| C | B | A |
計算拍發(fā)速率和響應(yīng)延時的公式如下：
拍發(fā)速率=1/[（8+A）×2B×0.00417] （1/s）
響應(yīng)延時=（1+C）×250 （ms）
注：缺省的延時參數(shù)值為2CH。
此命令的執(zhí)行過程如下：
a. 鍵盤收到F3H命令后，用FAH予以響應(yīng)，并停止掃描和等待隨后的參數(shù)；
b. 鍵盤若收到隨后的設(shè)置參數(shù)，用另一個ACK響應(yīng)，并按其參數(shù)設(shè)置新的拍發(fā)速率和響應(yīng)延時，
之后重新開始掃描（若鍵盤原來是開放的）；
c. 鍵盤若收到FAH命令，但無隨后的設(shè)置參數(shù)，則鍵盤結(jié)束命令設(shè)置，并保持原來的拍發(fā)速率和響
應(yīng)延時，停止掃描。
⑧F2H，F(xiàn)1，EFH：保留未用。
⑨F0H：設(shè)置鍵盤掃描碼命令。此命令用于設(shè)置鍵盤的掃描碼，后跟參數(shù)指定三種掃描碼的哪一種。鍵盤復(fù)位時，默認(rèn)掃描碼是第二種。
⑩EEH：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(yīng)。若鍵盤原來是開放的，則繼續(xù)掃描。
EDH：置位/復(fù)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。參數(shù)字節(jié)如表2所列。
此命令執(zhí)行過程與F3H相似。若命令后跟參數(shù)，則按參數(shù)設(shè)定LED狀態(tài)并繼續(xù)掃描。若僅有命令無參數(shù)，則不改變LED原狀態(tài)，并停止掃描。
(2)鍵盤響應(yīng)
鍵盤在下列四種情況下都會向鍵盤接口發(fā)送數(shù)據(jù)。
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(tǒng)向鍵盤發(fā)送鍵盤命令后，鍵盤回送應(yīng)答。
④ 當(dāng)用戶按鍵速度超出鍵盤所能容納的最大鍵個數(shù)時，鍵盤做出響應(yīng)。
后三種情況稱為鍵盤響應(yīng)。響應(yīng)字節(jié)有7個，定義如下。
① FEH：重新發(fā)送響應(yīng)。當(dāng)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(yīng)字節(jié)為FEH，要求系統(tǒng)重發(fā)鍵盤命令。
② FAH：正常應(yīng)答。對任何一個有效的鍵盤命令，鍵盤回送FAH予以響應(yīng)。
③ 00H：超限應(yīng)答。當(dāng)用戶按鍵速度超出鍵盤所能容納的最大鍵符個數(shù)時（16個字節(jié)的緩沖器），鍵盤發(fā)送00H。
④ FDH：診斷故障應(yīng)答。鍵盤接受軟件復(fù)位命令，執(zhí)行自測試過程中。若檢測到故障，則以FDH應(yīng)答。此時，鍵盤停止掃描并等待下一個鍵盤命令。
⑤ AAH：診斷正常應(yīng)答。鍵盤在軟件復(fù)位過程中，正常完成BAT測試，以AAH應(yīng)答。
⑥ FEH：回響命令的應(yīng)答，對鍵盤FEH命令的應(yīng)答。
⑦ F0H：斷開掃描碼前綴，鍵盤對鍵符按下后釋放的應(yīng)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(shè)計
PC系列鍵盤采用18行×8列的矩陣行列結(jié)構(gòu)。89C51單片機(jī)有4個8位I/O端口，因此可以采用P0、P2口再加上P3口的2個（P3.6和P3.7）作為行掃描線。P1口作為列輸入線（如果用P0口作列輸入線，必須加上拉電阻）。采用P3.0、P3.1作為數(shù)據(jù)線和時鐘線與PC系統(tǒng)進(jìn)行通信，用P3.2、P3.4、P3.5控制鍵盤上的3個指示燈。硬件原理如圖3所示。
鍵盤與計算機(jī)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(shù)據(jù)線（SIO）。
4 軟件設(shè)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(fù)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(shù)據(jù)子程序、接收命令子程序、定時器1中斷服務(wù)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(jī)鍵盤接口或者存在鍵盤密碼緩沖區(qū)中；發(fā)送數(shù)據(jù)子程序用于將數(shù)據(jù)發(fā)給計算機(jī)鍵盤接口；接收命令子程序用于接收計算機(jī)鍵盤接口發(fā)來的鍵盤命令；定時器1中斷服務(wù)子程序用于給程序中的延時提供標(biāo)準(zhǔn)時鐘，并具有軟件看門狗功能，防止軟件出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象；主程序用于系統(tǒng)初始化，子程序調(diào)度，鎖定狀態(tài)的顯示等。
5 結(jié) 論
本文介紹的PC/AT鍵盤具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活、安全可靠的特點(diǎn)，可用于標(biāo)準(zhǔn)PC和嵌入式PC。本鍵盤可以在標(biāo)準(zhǔn)的鍵盤基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，只需換掉原來的控制芯片即可，可節(jié)省設(shè)計成本。
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