單片機(jī)系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)PC鍵盤的接口模塊設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)系統(tǒng)；PC鍵盤；接口模塊；輸入；FIFO

概述
在單片機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)輸入按鍵較多時(shí)，在硬件設(shè)計(jì)和軟件編程之間總存在著矛盾。對(duì)于不同的單片機(jī)系統(tǒng)需要進(jìn)行專用的鍵盤硬件設(shè)計(jì)和編程調(diào)試，通用性差，使項(xiàng)目開發(fā)復(fù)雜化。標(biāo)準(zhǔn)PC鍵盤在工藝與技術(shù)上都已相當(dāng)成熟，而且工作穩(wěn)定，價(jià)格低廉。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)接口模塊，它將標(biāo)準(zhǔn)PC鍵盤發(fā)出的位置掃描碼，變換為標(biāo)準(zhǔn)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(jī)。

接口模塊的特點(diǎn)
該模塊在PC鍵盤與上位單片機(jī)之間起轉(zhuǎn)換作用，它屏蔽了與PC鍵盤進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令交互的復(fù)雜過程，大大簡化了上位單片機(jī)系統(tǒng)的輸入設(shè)計(jì)；它實(shí)現(xiàn)了類似DOS操作系統(tǒng)中鍵盤中斷服務(wù)程序的功能，使設(shè)計(jì)人員只需關(guān)心接收按鍵的結(jié)果，并可使用標(biāo)準(zhǔn)的鍵盤編碼進(jìn)行編程；它要求上位單片機(jī)通過8位并行接口與其相接，對(duì)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(duì)于那些希望占用單片機(jī)的系統(tǒng)資源少而需要擴(kuò)展的鍵數(shù)較多、儀器整體需要美觀大方的應(yīng)用場合，其性能價(jià)格比更具優(yōu)勢。該模塊與單片機(jī)系統(tǒng)的連接關(guān)系如圖1所示，在圖中也給出與上位單片機(jī)相接的20腳接插件的信號(hào)定義。

計(jì)算機(jī)中標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)鍵盤的工作原理

圖1 該模塊與上位單片機(jī)系統(tǒng)的連接關(guān)系及信號(hào)定義

圖2 鍵盤接口時(shí)序(a) 鍵盤發(fā)送時(shí)序；(b) 鍵盤接收時(shí)序

圖3 單片機(jī)系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)PC鍵盤接口模塊原理框圖

鍵盤與主機(jī)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(hào)有：電源、地、鍵盤時(shí)鐘KB_CLK、鍵盤數(shù)據(jù)KB_DAT。正常工作時(shí)，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(shí)，發(fā)送接通掃描碼，松開鍵時(shí)，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(gè)斷開標(biāo)志字節(jié)F0H。若某鍵一直按下，則以按鍵重復(fù)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(guān)，與該鍵的ASCII碼并無對(duì)應(yīng)關(guān)系。表1第二列給出經(jīng)實(shí)際測試得到的若干按鍵的位置掃描碼。由表1可見，根據(jù)鍵的按下或釋放及所按鍵的不同，這個(gè)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(biāo)準(zhǔn)鍵盤與主機(jī)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(shù)據(jù)包括：起始位0、8位數(shù)據(jù)位(LSB在先)、奇校驗(yàn)位P、停止位1。圖2(a)給出了鍵盤發(fā)送時(shí)序。數(shù)據(jù)(KB_DAT)在時(shí)鐘(KB_CLK)的上升沿改變，下降沿時(shí)有效，可被主機(jī)讀取。圖2(b)給出鍵盤接收時(shí)序。主機(jī)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(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，主機(jī)在KB_CLK信號(hào)同步下發(fā)送其他位。
標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)KB_DAT接到AT89C2051的P3.0引腳，時(shí)鐘KB_CLK接到引腳。在PC鍵盤有鍵按下時(shí)，KB_CLK信號(hào)會(huì)引起AT89C2051的連續(xù)中斷，通過定時(shí)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(jī)可以接收新鍵值時(shí)，將FIFO棧中編碼數(shù)據(jù)以并行或串行方式傳送給上位單片機(jī)。
為了能更清楚地指示系統(tǒng)當(dāng)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(zhǔn)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(jī)的，為了能實(shí)時(shí)地響應(yīng)，在程序中使用定時(shí)器T0中斷和中斷協(xié)同工作，將位置掃描碼序列恢復(fù)至鍵盤接收緩沖區(qū)中。中斷服務(wù)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(wù)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(shè)置T0的定時(shí)間隔為5ms，并在系統(tǒng)啟動(dòng)后就開始定時(shí)。由于在正常接收每個(gè)按鍵的碼值序列過程中，鍵盤發(fā)送的每位數(shù)據(jù)間隔不會(huì)大于5ms，因此在每次中斷服務(wù)中，首先要判斷T0是否溢出過，若曾經(jīng)溢出，則認(rèn)為該次中斷是一次新碼值接收的開始，需將位計(jì)數(shù)器清零，否則只需移入一位數(shù)據(jù)即可，然后重新啟動(dòng)定時(shí)器，退出中斷服務(wù)程序。在新按鍵碼值序列接收完成后，設(shè)置blnDataValid標(biāo)志，以通知主程序。
主程序的工作原理
主程序主要有四個(gè)任務(wù)：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(gè)字節(jié)Windows虛擬鍵代碼或兩個(gè)字節(jié)的OEM掃描碼與ASCII碼；②根據(jù)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(gè)指示燈的亮滅；③系統(tǒng)中設(shè)立的FIFO棧的維護(hù)；④與上位單片機(jī)碼值傳送的握手交互過程。主程序的流程圖如圖4所示。
在主程序中檢測到blnDataValid標(biāo)志后，即說明在鍵盤接收緩沖區(qū)中已接收到一個(gè)新的位置掃描碼序列，程序根據(jù)這個(gè)序列的不同特點(diǎn)做不同的處理，最后再根據(jù)硬件跳線的設(shè)置得到相應(yīng)按鍵的Windows虛擬鍵代碼或ASCII碼與OEM掃描碼，圖4中的跳線接至“W”位時(shí)，編碼為Windows虛擬鍵代碼。虛擬鍵代碼是Windows系統(tǒng)中引入的一組按鍵編碼常量，每一個(gè)按鍵都有惟一的碼值與之對(duì)應(yīng)。ASCII碼與OEM掃描碼則是在DOS系統(tǒng)定義的,但在Windows系統(tǒng)中沿用的按鍵碼值定義，每一個(gè)按鍵都有兩個(gè)碼值與之對(duì)應(yīng)，對(duì)于功能鍵，例如F1、HOME、UP等，只存在OEM掃描碼，其ASCII碼為0，參見表1。
FIFO棧是程序中設(shè)置的發(fā)送緩沖區(qū)，它是按“先進(jìn)先出”原則建立的32字節(jié)循環(huán)隊(duì)列，有一個(gè)隊(duì)列頭指針和一個(gè)隊(duì)列尾指針。進(jìn)隊(duì)列時(shí)，編碼數(shù)據(jù)進(jìn)入由隊(duì)列尾指針?biāo)竼卧?，同時(shí)隊(duì)列尾指針增量，指向下一個(gè)單元，當(dāng)數(shù)據(jù)不斷進(jìn)入隊(duì)列，使尾指針指向隊(duì)列末端時(shí)，尾指針循環(huán)重新繞回隊(duì)列始端；出隊(duì)列時(shí)，編碼數(shù)據(jù)從隊(duì)列頭指針?biāo)傅膯卧〕?，同時(shí)隊(duì)列頭指針增量，指向下一個(gè)單元，在頭指針指向隊(duì)列末端時(shí)，也要重新繞回隊(duì)列始端，但頭指針始終不能“超過”尾指針。如果按鍵速度快于上位單片機(jī)接收碼值的速度，有可能尾指針繞回后與頭指針再次相等，這時(shí)表明隊(duì)列已滿，不能再存入數(shù)據(jù)，如果此時(shí)再有鍵按下，那么棧溢出指示燈將點(diǎn)亮。
在系統(tǒng)中設(shè)立了三個(gè)標(biāo)志分別對(duì)應(yīng)于CAPS LOCK鍵、NUM LOCK鍵及SCROLL LOCK鍵的狀態(tài)，每次有這三個(gè)鍵按下時(shí)，程序都要翻轉(zhuǎn)相應(yīng)標(biāo)志，然后向鍵盤發(fā)送EDH命令，命令鍵盤對(duì)其上的三個(gè)LED指示燈做相應(yīng)激勵(lì)。
在向上位單片機(jī)發(fā)送FIFO棧首的碼值之前要先檢測ACK信號(hào)狀態(tài)以確定上位單片機(jī)是否已取走上次碼值。若ACK信號(hào)有效，則將碼值鎖存在P1口上，然后由P3.7產(chǎn)生模擬的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，一方面將8位并行碼值置入串-并轉(zhuǎn)換芯片(74LS165)中，另一方面將觸發(fā)器(74LS74)置為1，使端變?yōu)?，為上位單片機(jī)提供碼值準(zhǔn)備好(PS_READY#)的狀態(tài)信號(hào)，并點(diǎn)亮指示燈。在上位單片機(jī)中，可查詢此狀態(tài)信號(hào)也可利用此狀態(tài)信號(hào)申請中斷。上位單片機(jī)若采用并行接口方法，則發(fā)出讀緩沖器信號(hào)(P_RD#)和片選信號(hào)(P_CS#)，便可通過三態(tài)緩沖器(74LS244)取得鍵值；若采用串行接口方法，則需發(fā)出串行時(shí)鐘(S_CLK)，從74LS165的串行數(shù)據(jù)端(S_DAT)讀回8位碼值。在上位單片機(jī)讀取完當(dāng)前的鍵值后，ACK信號(hào)將由握手邏輯自動(dòng)置為有效，系統(tǒng)可通過檢測ACK信號(hào)的狀態(tài)以發(fā)送下一個(gè)碼值。

圖4 主程序流程圖

結(jié)語
實(shí)踐證明應(yīng)用該模塊不但可大大地簡化鍵盤輸入電路及程序設(shè)計(jì)，而且在使用高級(jí)語言書寫程序時(shí)更加方便。該模塊可識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)PC鍵盤上的所有按鍵，并能自動(dòng)考慮SHIFT、NUMLOCK及CAPLOCK鍵對(duì)編碼的影響。對(duì)于DOS系統(tǒng)中CRTL+按鍵、ALT+按鍵等組合鍵，該模塊并未考慮，但相對(duì)上位的單片機(jī)系統(tǒng)而言，目前所提供的按鍵數(shù)量已足夠用了。

參考文獻(xiàn)
1 榮振,梁華,王春生.單片機(jī)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)鍵盤的技術(shù).微型機(jī)與應(yīng)用,2000(7)
2 于印泉,佴曉東,王兆娟.單片機(jī)與PC鍵盤接口.內(nèi)燃機(jī)車,2000(5)

作者簡介：王曉君，男，畢業(yè)于河北機(jī)電學(xué)院應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任河北科技大學(xué)電子信息工程系主任，主要從事數(shù)字信號(hào)處理的教學(xué)與科研工作。