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(diào)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(xiàn)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(zhuǎn)換作用，它屏蔽了與pc鍵盤進行數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)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

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(shù)據(jù)包括：起始位0、8位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)(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(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jīng)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(shù)器清零，否則只需移入一位數(shù)據(jù)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(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。

在主程序中檢測到blndatavalid標志后，即說明在鍵盤接收緩沖區(qū)中已接收到一個新的位置掃描碼序列，程序根據(jù)這個序列的不同特點做不同的處理，最后再根據(jù)硬件跳線的設置得到相應按鍵的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，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，每一個按鍵都有惟一的碼值與之對應。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，每一個按鍵都有兩個碼值與之對應，對于功能鍵，例如f1、home、up等，只存在oem掃描碼，其ascii碼為0，參見表1。

fifo棧是程序中設置的發(fā)送緩沖區(qū)，它是按“先進先出”原則建立的32字節(jié)循環(huán)隊列，有一個隊列頭指針和一個隊列尾指針。進隊列時，編碼數(shù)據(jù)進入由隊列尾指針所指單元，同時隊列尾指針增量，指向下一個單元，當數(shù)據(jù)不斷進入隊列，使尾指針指向隊列末端時，尾指針循環(huán)重新繞回隊列始端；出隊列時，編碼數(shù)據(jù)從隊列頭指針所指的單元取出，同時隊列頭指針增量，指向下一個單元，在頭指針指向隊列末端時，也要重新繞回隊列始端，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，這時表明隊列已滿，不能再存入數(shù)據(jù)，如果此時再有鍵按下，那么棧溢出指示燈將點亮。 在系統(tǒng)中設立了三個標志分別對應于caps lock鍵、num lock鍵及scroll lock鍵的狀態(tài)，每次有這三個鍵按下時，程序都要翻轉(zhuǎn)相應標志，然后向鍵盤發(fā)送edh命令，命令鍵盤對其上的三個led指示燈做相應激勵。

在向上位單片機發(fā)送fifo棧首的碼值之前要先檢測ack信號狀態(tài)以確定上位單片機是否已取走上次碼值。若ack信號有效，則將碼值鎖存在p1口上，然后由p3.7產(chǎn)生模擬的時鐘脈沖信號，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)?，為上位單片機提供碼值準備好(ps_ready#)的狀態(tài)信號，并點亮指示燈。在上位單片機中，可查詢此狀態(tài)信號也可利用此狀態(tài)信號申請中斷。上位單片機若采用并行接口方法，則發(fā)出讀緩沖器信號(p_rd#)和片選信號(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。在上位單片機讀取完當前的鍵值后，ack信號將由握手邏輯自動置為有效，系統(tǒng)可通過檢測ack信號的狀態(tài)以發(fā)送下一個碼值。

實踐證明應用該模塊不但可大大地簡化鍵盤輸入電路及程序設計，而且在使用高級語言書寫程序時更加方便。該模塊可識別標準pc鍵盤上的所有按鍵，并能自動考慮shift、numlock及caplock鍵對編碼的影響。對于dos系統(tǒng)中crtl+按鍵、alt+按鍵等組合鍵，該模塊并未考慮，但相對上位的單片機系統(tǒng)而言，目前所提供的按鍵數(shù)量已足夠用了。