基于89C52的計(jì)算機(jī)專用鍵盤設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能，片內(nèi)含8 k可反復(fù)檫寫的單片機(jī)，具有外圍硬件電路簡(jiǎn)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)侯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(duì)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89C52設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可鎖定加密PC/AT鍵盤。另外，本鍵盤固定于主機(jī)操控臺(tái)，因此，又具有一定的抗振性和密封性。

　　1 鍵盤功能及工作原理

　　PC鍵盤功能主要有按鍵識(shí)別、去抖、重鍵處理、發(fā)送掃描碼、自動(dòng)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(jì)簡(jiǎn)單，但硬件電路復(fù)雜，價(jià)格較高;非編碼鍵盤用軟件來實(shí)現(xiàn)識(shí)別鍵、編碼轉(zhuǎn)換、去抖等功能，硬件電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。本鍵盤采用非編碼鍵盤，14行×8列的二維矩陣行列結(jié)構(gòu)，采用行掃描法識(shí)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(jí)，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(yàn)位、1位停止位(1)。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)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(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線均為高電平時(shí)，允許鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將接收數(shù)據(jù);當(dāng)時(shí)鐘線被拉為低電平時(shí)，表明系統(tǒng)禁止數(shù)據(jù)傳輸。圖1給出了發(fā)送時(shí)序，包含1個(gè)低電平觸發(fā)的起始位、8位數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇校驗(yàn)位和1個(gè)高電平的結(jié)束位。

　　2.1.1 PC系統(tǒng)到鍵盤的通信協(xié)議

　　若時(shí)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(qǐng)求發(fā)送，鍵盤準(zhǔn)備產(chǎn)生同步時(shí)鐘脈沖串，并接收數(shù)據(jù)。包含了1個(gè)低電平觸發(fā)的起始位、8位數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇校驗(yàn)位、1個(gè)應(yīng)答位、1個(gè)高電平的結(jié)束位。

　　2.1.2 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(cè)試，稱為基本保證測(cè)試(BAT)。復(fù)位鍵盤的過程如下：

　　①鍵盤收到FFH后立即回送ACK(FAH)作答;

　?、阪I盤接口收到ACK后，將鍵盤時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線置為高電平;

　　③鍵盤檢測(cè)到此狀態(tài)后開始BAT操作;

　?、苋绻鸅AT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(cè)到從鍵盤送來的任何傳輸錯(cuò)誤時(shí)，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(shí)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(shí)的缺省狀態(tài)，并停止鍵盤掃描，等待下一個(gè)鍵盤命令。

　　(6)F4H：?jiǎn)?dòng)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(dòng)鍵盤開始掃描。

　　(7)F3H：設(shè)置拍發(fā)速率和延時(shí)參數(shù)。每當(dāng)按下任一鍵時(shí)，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(shí)參數(shù)是指按下一鍵后，鍵盤輸出的響應(yīng)時(shí)間。

　　系統(tǒng)缺省設(shè)置：拍發(fā)速率=10個(gè)/s±20%，延時(shí)=500ms±20%。

　　當(dāng)要改變?cè)O(shè)置時(shí)可以使用F3H命令，并后跟一個(gè)字節(jié)的參數(shù)。

　　計(jì)算拍發(fā)速率和響應(yīng)延時(shí)的公式如下：

　　拍發(fā)速率=1/[8+A]×2B×0.004 17](1/s)

　　響應(yīng)延時(shí)=(1+C)×250(ms)

　　注：缺省的延時(shí)參數(shù)值為2CH。

　　此命令的執(zhí)行過程如下：

　　①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);

　?、阪I盤若收到隨后的設(shè)置參數(shù)，用另一個(gè)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(shí)，之后重新開始掃描(若鍵盤原來是開放的);

　?、坻I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(shí)，停止掃描。

　　(8)F2H，F(xiàn)1H，EFH：保留未用。

　　(9)F0H：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(shí)，默認(rèn)掃描碼是第二種。

　　(10)EEH：回送命令。此命令用于輔助診斷，要求鍵盤接收到EEH時(shí)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(gè)LED指示器，分別反映Caps、Num和Scroll三個(gè)鍵的鎖定情況。

　　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。

　　2.1.3 鍵盤響應(yīng)

　　鍵盤在下列四種情況下都會(huì)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(gè)數(shù)時(shí)，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(gè)，定義如下。

　　①FEH：重新發(fā)送響應(yīng)。當(dāng)鍵盤收到一個(gè)無效的鍵盤命令，或者檢測(cè)到奇偶錯(cuò)的鍵盤命令時(shí)，鍵盤回送響應(yīng)字節(jié)為FEH，要求系統(tǒng)重發(fā)鍵盤命令。

　　②FAH：正常應(yīng)答。對(duì)任何一個(gè)有效的鍵盤命令，鍵盤回送FAH予以響應(yīng)。

　　③00H：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(gè)數(shù)時(shí)(16個(gè)字節(jié)的緩沖器)，鍵盤發(fā)送00H。

　　④FDH：診斷故障應(yīng)答。鍵盤接受軟件復(fù)位命令，執(zhí)行自測(cè)試過程中。若檢測(cè)到故障，則以FDH應(yīng)答。此時(shí)，鍵盤停止掃描并等待下一個(gè)鍵盤命令。

　?、軦AH：診斷正常應(yīng)答。鍵盤在軟件復(fù)位過程中，正常完成BAT測(cè)試，以AAH應(yīng)答。

　?、轊EH：回響命令的應(yīng)答，對(duì)鍵盤EEt{命令的應(yīng)答。

　?、逨0H：斷開掃描碼前綴，鍵盤對(duì)鍵符按下后釋放的應(yīng)答，第一個(gè)字節(jié)為F0H，第二個(gè)字節(jié)為接通掃描碼(有幾個(gè)鍵例外)。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　圖1為電路結(jié)構(gòu)框圖，電路核心為單片機(jī)AT89C52，工作頻率為8～11 MHz。圖中可以看出，89C52單片機(jī)有4個(gè)8位I/O端口，因此可以采用PO再加上P2口的4個(gè)(P2.0到P2.5)作為行掃描線。P1口作為列輸入線(如果用PO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(shí)鐘線與PC系統(tǒng)進(jìn)行通信，用P3.4、P3.5、P3.6控制鍵盤上的3個(gè)指示燈。硬件原理如圖1所示。鍵盤與計(jì)算機(jī)通過一個(gè)五芯(PS/2接口為六芯)插座相接，4個(gè)有效引腳的定義分別是電源(VCC)、地(GND)、串行時(shí)鐘線(SCK)、串行數(shù)據(jù)線(SIO)。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　(1)消抖及重鍵處理：通過軟件上延時(shí)程序來消除抖動(dòng);采用后按鍵優(yōu)先處理，即多鍵同時(shí)按下時(shí)，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(shí)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(hào)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(jì)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(jì)算機(jī)鍵盤接口;接收命令子程序用于接收計(jì)算機(jī)鍵盤接口發(fā)來的鍵盤命令;定時(shí)器1中斷服務(wù)子程序用于給程序中的延時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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。圖2～4是主要軟件模塊的流程圖。

　　5 結(jié)束語

　　該鍵盤的設(shè)計(jì)從軟、硬件都作了周密考慮，可靠性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，特別適合部隊(duì)野外訓(xùn)練使用。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(jì)成本。具有很好的發(fā)展前景。