單片機系統與標準PC鍵盤的接口模塊設計

本文介紹了一種單片機系統與標準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。
關鍵詞： 單片機系統；PC鍵盤；接口模塊；輸入；FIFO

概述
??? 在單片機系統中，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需要進行專用的鍵盤硬件設計和編程調試，通用性差，使項目開發復雜化。標準PC鍵盤在工藝與技術上都已相當成熟，而且工作穩定，價格低廉。本設計實現了一個接口模塊，它將標準PC鍵盤發出的位置掃描碼，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換作用，它屏蔽了與PC鍵盤進行數據和命令交互的復雜過程，大大簡化了上位單片機系統的輸入設計；它實現了類似DOS操作系統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，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資源少而需要擴展的鍵數較多、儀器整體需要美觀大方的應用場合，其性能價格比更具優勢。該模塊與單片機系統的連接關系如圖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

?????????? 圖1 該模塊與上位單片機系統的連接關系及信號定義

????? 圖2 鍵盤接口時序(a) 鍵盤發送時序；(b) 鍵盤接收時序

???? 圖3 單片機系統與標準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、鍵盤數據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，則以串行方式發送按鍵的位置掃描碼給主板鍵盤接口電路。按下鍵時，發送接通掃描碼，松開鍵時，發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F0H。若某鍵一直按下，則以按鍵重復率連續發送該鍵的接通掃描碼。掃描碼與按鍵的位置有關，與該鍵的ASCII碼并無對應關系。表1第二列給出經實際測試得到的若干按鍵的位置掃描碼。由表1可見，根據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，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位數據包括：起始位0、8位數據位(LSB在先)、奇校驗位P、停止位1。圖2(a)給出了鍵盤發送時序。數據(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。主機發送前，先將KB_CLK拉低，以抑制鍵盤發送，再將KB_DAT拉低發送起始位，然后釋放KB_CLK線，鍵盤接管KB_CLK并產生時鐘信號，主機在KB_CLK信號同步下發送其他位。

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，數據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的連續中斷，通過定時器T0與外中斷的協同工作，可將PC鍵盤發出的位置掃描碼序列接收至緩沖區中。然后，在主程序中將位置掃描碼解碼、查表換算，再編碼成一字節的WINDOWS虛擬鍵代碼或兩字節的OEM掃描碼與ASCII碼，并存入系統中FIFO棧。在上位單片機可以接收新鍵值時，將FIFO棧中編碼數據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當前的工作狀態，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中斷和中斷協同工作，將位置掃描碼序列恢復至鍵盤接收緩沖區中。中斷服務程序用來將碼值的一位移入緩沖區中，T0溢出的中斷服務程序主要用來判斷一次按鍵所發出的碼是否已全部接收。系統設置T0的定時間隔為5ms，并在系統啟動后就開始定時。由于在正常接收每個按鍵的碼值序列過程中，鍵盤發送的每位數據間隔不會大于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，需將位計數器清零，否則只需移入一位數據即可，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將鍵盤接收緩沖區的位置掃描碼通過查表等算法換成統一編碼的一個字節Windows虛擬鍵代碼或兩個字節的OEM掃描碼與ASCII碼；②根據系統中CAPS LOCK鍵、NUM LOCK鍵及SCROLL LOCK鍵的狀態信息控制鍵盤上三個指示燈的亮滅；③系統中設立的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中已接收到一個新的位置掃描碼序列，程序根據這個序列的不同特點做不同的處理，最后再根據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系統定義的,但在Windows系統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送緩沖區，它是按“先進先出”原則建立的32字節循環隊列，有一個隊列頭指針和一個隊列尾指針。進隊列時，編碼數據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，當數據不斷進入隊列，使尾指針指向隊列末端時，尾指針循環重新繞回隊列始端；出隊列時，編碼數據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，不能再存入數據，如果此時再有鍵按下，那么棧溢出指示燈將點亮。

??? 在系統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，每次有這三個鍵按下時，程序都要翻轉相應標志，然后向鍵盤發送EDH命令，命令鍵盤對其上的三個LED指示燈做相應激勵。
在向上位單片機發送FIFO棧首的碼值之前要先檢測ACK信號狀態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-并轉換芯片(74LS165)中，另一方面將觸發器(74LS74)置為1，使端變為0，為上位單片機提供碼值準備好(PS_READY#)的狀態信號，并點亮指示燈。在上位單片機中，可查詢此狀態信號也可利用此狀態信號申請中斷。上位單片機若采用并行接口方法，則發出讀緩沖器信號(P_RD#)和片選信號(P_CS#)，便可通過三態緩沖器(74LS244)取得鍵值；若采用串行接口方法，則需發出串行時鐘(S_CLK)，從74LS165的串行數據端(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，系統可通過檢測ACK信號的狀態以發送下一個碼值。

圖4 主程序流程圖

結語
???? 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而言，目前所提供的按鍵數量已足夠用了。

參考文獻
1 榮振,梁華,王春生.單片機擴展標準微機鍵盤的技術.微型機與應用,2000(7)
2 于印泉,佴曉東,王兆娟.單片機與PC鍵盤接口.內燃機車,2000(5)