單片機系統(tǒng)與標準PC鍵盤的接口模塊設(shè)計

本文介紹了一種單片機系統(tǒng)與標準PC鍵盤接口模塊，并詳細介紹了該模塊的工作原理與軟件編程思想。
關(guān)鍵詞： 單片機系統(tǒng)；PC鍵盤；接口模塊；輸入；FIFO

概述
    在單片機系統(tǒng)中，當輸入按鍵較多時，在硬件設(shè)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(shè)計和編程調(diào)試，通用性差，使項目開發(fā)復(fù)雜化。標準PC鍵盤在工藝與技術(shù)上都已相當成熟，而且工作穩(wěn)定，價格低廉。本設(shè)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(fù)雜過程，大大簡化了上位單片機系統(tǒng)的輸入設(shè)計；它實現(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)計人員只需關(guān)心接收按鍵的結(jié)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(yīng)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(guān)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(guān)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(shù)據(jù)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(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碼并無對應(yīng)關(guān)系。表1第二列給出經(jīng)實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(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(yīng)，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(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(wù)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(wù)程序。在新按鍵碼值序列接收完成后，設(shè)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(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(shè)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。[!--empirenews.page--]

    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(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，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(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，每一個按鍵都有兩個碼值與之對應(yīng)，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(shè)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(shè)立了三個標志分別對應(yīng)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(yīng)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(yīng)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。

圖4 主程序流程圖

結(jié)語
     實踐證明應(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，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。