基于单片机的多计算机外设共享控制器的设计与实现

摘要：为了解决多计算机外设共存的问题，通过对多计算机外设兼容设计的研究，文章提出一种基于单片机的外设共享控制器的设计的方法。该方法包含基于单片机的外设共享控制器的主要设计思路和实现方法，硬件设计采用单片机与继电器，软件采用Keil C开发。目前该方法已经投入应用，通过应用表明该设计方法方便可靠。
关键词：单片机；外设共享；控制；计算机

0 引言
    随着电子设备技术不断发展和产品功能不断增加，一般情况下，产品功能通常需要多个计算机配合实现。另一方面，在产品设计过程中，为了提高产品的可靠性，计算机备份技术作为提高产品可靠性重要手段之一也越来越多被采用。在这种情况下，为了降低产品的复杂度，合理使用有限的空间，在具体产品设计时，往往只有单套计算机外设配给多套主机使用。此时，需要解决多个主机之间的显示器、键盘和鼠标的动态切换问题。
    而这一问题可以通过外设共享来解决，使用外设共享控制器，可实现双主机或者多主机之间显示器、键盘和鼠标的动态切换，从而实现有限资源的合理利用。

1 设计原理
1．1 外设共享控制器的功能介绍
    按下外设共享控制器的主机1按键，外设显示器和键盘、鼠标连接到主机1，同时主机1按键指示灯亮；按下主机2按键，外设显示器和键盘、鼠标连接到主机2，同时主机2按键指示灯亮。外设共享控制器具有自动扫描功能，能够监测计算机的运行。主机1先启动，则外设显示器和键盘、鼠标连接到主机1，同时主机1按键指示灯亮；主机2先启动，则外设显示器和键盘、鼠标连接到主机2，同时主机2按键指示灯亮。另外，也可通过键盘上设定的热键(连续按两次Ctrl键)来控制键盘、鼠标、显示器信号的切换。
1．2 PS／2、VGA接口介绍
    外设共享控制器涉及的外设是键盘、鼠标和显示器，接口类型分别是PS／2口、PS／2口和VGA口。PS／2键盘和鼠标履行一种双向步串行协议。也就是说，每次数据线上发送一位数据并且每在时钟线上发一个脉冲就被读入。键盘／鼠标可以发送数据到主机，而主机也可以发送数据到设备，但主机总是在总线上有优先权，它可以在任何时候抑制来自于键盘／鼠标的通讯，只要把时钟拉低即可。从键盘／鼠标发送到主机的数据在时钟的下降沿(CLK由高到低的时候)被读取；从主机发送到键盘／鼠标的数据在上升沿(当时钟从低变到高的时候)被读取。不管通讯的方向怎样，键盘／鼠标总是产生时钟信号。一个PS／2设备的工作频率推荐值为15kHz左右，这意味着时钟应该是高40μs低40μs。所有的数据位安排在一个字节中，每个字节为一帧，包含11～12个位。这些位为1个起始位0、8个数据位、1个校验位、1个停止位和1个应答位。常用的六芯插座布局及其定义见图1。

    VGA接口是一种COMS／TTL接口，15芯插座布局及其定义见图2和表1。VGA信号本身不需要初始化，可直接进行切换。

1．3 外设共享控制器的设计原理
    外设共享控制器的原理见图3，设计采用ATMEL公司的AT89S8252单片机，它拥有8k flash存储区、256×8位RAM。AT89S8252自带EEPRO-M，且其P0、P1、P2、P3均可作为I／O口使用。在本设计中，键盘鼠标等PS／2口的切换主要是通过双刀双掷继电器实现，显示的R、G、B信号主要通过AD8183芯片完成信号切换，H、V信号通过54LS157芯片完成信号切换。为保证显示信号切换的一致性，通过一个双刀双掷继电器对AD8183和54LS157进行统一控制。本文为两台计算机设计一套键盘鼠标共享电路，计算机数量多时，情形类似。

2 设计买现
    外设共享控制器需要解决计算机启动对外设(PS／2、VGA)初始化，并在计算机启动完成后，控制信号的动态切换。共分为硬件设计和软件设计。
2．1 硬件设计
    单片机U1的P1口接键盘K0、鼠标M0的时钟、数据线；P0口接计算机的键盘鼠标信号线，即：PCI的时钟线kbclk1、mselk1，数据线kbda-ta1、msdata1，PC2的时钟线kbclk2、msclk2，数据线kbdata2，msdata2；P2口用来控制计算机间的切换。
    计算机启动时，P0口的时钟、数据线被拉高和拉低，单片机检测这些状态，并根据PS／2协议读出这些发来的命令。然后把这些命令直接发送给键盘K0。K0应答计算机的命令，单片机把这些应答数据转发给计算机。对于后台计算机，单片机直接回应这些计算机发来的命令。鼠标和计算机间的联系和键盘相同。
    习惯上，指定其中一台计算机设为前台计算机，单片机转发这台计算机的命令、数据给键盘。当这台计算机没有接入时，单片机自动指定另一台为前台计算机。
    单片机的P2口外接一瞬态开关，当开关按下时，单片机接受一个脉冲，于是就把当前的前台计算机和后台计算机进行互换。并放置指示灯指示对应计算机的状态。
    显示信号分R、G、B信号，H、V信号。前三个信号为模拟信号，用AD8183芯片控制，在这个片子的输入输出端要力175Ω的匹配电阻，并且这个片子需要5V电源供电。输出选择端在U2的223脚SEL，当SEL端接地时，A路输出，否则B路输出。H、V信号由54LS157控制，这是四组2选1的数据选择器，它的选择端在1脚，1脚拉高B路输出，1脚拉低A路输出。这两个片子的选择端接到一个双刀双掷继电器，对AD8183和154LS15 7进行统一控制。
2．2 软件设计
    计算机启动时，运行BIOS，检测主板和各种外部硬件设备，识别其设备类型，并对它们进行初始化。当检测键盘时，如果扫描不到，且计算机在BIOS中设置PostBehavior->keyboard Errors->Report，计算机就会停止初始化，显示出错信息；否则，认为键盘不存在，跳过该设
备，计算机初始化结束后该设备不能用。当多台计算机与一个键盘相连时，必须给没有与键盘物理连接的计算机建立虚拟的键盘。这个虚拟外设能够完成与计算机的数据交换，帮助计算机顺利通过BIOS检测。同样，对于鼠标，也必须建立虚拟鼠标使计算机通过BIOS检测。虚拟键盘和虚拟鼠标这些虚拟外设，在计算机给出命令时，应答命令，使计算机确信该外设存在。
    BIOS检测完成后，计算机进入系统初始化过程。在这个过程中，操作系统要对外部设备的具体参数进行设置。键盘要设置机打速率／延迟(typematic rate／delay)；鼠标要设置采样率(sample rate)，读取设备类型(不同类型的鼠标有不同的ID)，设置分辨率(resolution，设置为每mm多少个计数点counts／mm)，比例(scaling)，设置数据报告禁止／允许。同样，对于计算机必须建立虚拟外设，使系统确认外设存在，以通过初始化。
    当上述过程完成后，系统就顺利通过了初始化。显示器显示一台计算机的画面，该画面对应的计算机称为前台计算机，不被显示画面的计算机为后台计算机。按下共享控制器上的切换按钮，外设选择一后台计算机，把其置前成为前台计算机，此时，显示器显示该计算机的画面，键盘鼠标响应该计算机。原先的前台计算机变为后台工作。
    启动过程的程序流程图见图4。

    本文用Keil C开发，它提供了丰富的数据类型，极大地增强了程序处理能力和灵活性，它能够自动实现中断服务程序的现场保护和恢复，目标程序效率高、可移植性好，是一种高级语言，可读性强，维护使用方便灵活。软件由主程序和中断服务子程序组成。主程序完成系统的初始化和计算机命令的响应、键盘鼠标数据的发送。中断程序主要包括键盘热键切换、外部按键切换。软件功能模块结构清晰可读。程序流程图见图4和图5。

     系统上电，外设共享控制器上电并开始对AT89S8252初始化。包括对变量、串口、定时器、中断控制、看门狗进行初始化操作。在这个过程中还需要对外部的计算机的PS／2外设进行初始化应答。并且自动扫描启动计算机，PS／2、VGA外设连接启动计算机，并显示启动计算机的画面。
    当完成BIOS检测和操作系统检测应答后，单片机进入主程序，执行正常键盘鼠标的操作功能。读取P1．1上键盘给主机的数据看是否有“切换前／后台计算机”的热键按下，如果是，将切换；否则，连接当前计算机。

3 设计小结
    本论文完成了主机1和主机2的键盘、鼠标、显示器几种外设的共享，解决了PS／2口、VGA接口共享时遇到的问题。实物经过筛选试验、环境适应性试验、电磁兼容试验，性能良好，安全可靠。