一种嵌入式PC非标准键盘的设计

    随着嵌入式系统的飞速发展，嵌入式PC在工业控制、测量仪器等领域得到了广泛应用，如ADVANTECH公司的PC/104、 AMD公司的E86等。它们除了具有PC的功能外，还提供了功能强大的各种标准接口，如：平板/VGA显示器控制接口、光驱接口、以太网接口、RS-232/422/485接口、PC/AT键盘接口等。这就为新产品开发的标准化、模块化提供了方便，可大大缩小研发周期，降低研制成本。由于嵌入式PC具有标准PC键盘接口，也就是说，可以用标准的PC/AT键盘来对嵌入式PC进行操作与控制。然而，在很多实际应用中，需要用到键的数量和类型有很大的差异，并希望键盘具有体积小巧、便于布放等特点。因此，希望能够设计一种小巧、灵活的PC非标准键盘，来满足用户需求。

    本文根据课题要求，设计了一种由AT89C52实现的PC非标准键盘。下面对其硬件设计、软件实现及PS/2键盘通信协议分别进行介绍。

1硬件设计

    图1为该键盘电路原理图，由ATMEL公司的微控制器AT89C52、逻辑系统（包括看门狗复位电路X25045和晶体振荡电路）、矩阵键盘三部分组成。AT89C52单片机主要完成键盘扫描，确定键盘闭合断开的信息，并发送键码和同步时钟到工控机；逻辑系统提供起振信号及看门狗定时复位功能，防止出现死机；矩阵键盘为4×4的行列式键盘，当有键按下时产生低电平触发信号，便于单片机检测有效的按键操作。该键盘由4×4=16个按键组成，其中行线为P0.4～P0.7，列线为P0.3～P0.0。P3.0为键码数据输出，P3.1为同步时钟，分别输出到嵌入式PC的PS/2端口；+5V电源由主机提供。

    由于AT89C52的IO端口为32个，除看门狗电路的输入输出端CS、SI、SO、SCK、以及键码数据输出端Data和时钟输出端Clock外，还剩26个可用端口，这样，其最大可独立响应13× 13=169个键的输入，不仅可满足标准键盘的多键需求，也可满足工控机常用控制键的要求。X25045为看门狗电路，它实时接收来自AT89C52的CS信号，并自动判断两次信号的间隔时间。当时间间隔到达设定时间时，其RST输出端保持低电平；反之，其RST输出端输出高电平，AT89C52被复位。此外增加了发光二极管LED，用来指示键盘的工作状态。

图1键盘电路原理图

    （1）具有8K字节可编程闪存；

    （2）256×8字节内部RAM；

    （3）32根可编程I/O线；

    （4）3个16位定时计数器；

    （5）8个中断源；

    （6）可编程串行UART通道

2 PS/2协议

    标准键盘和工控机或者嵌入式PC之间是按照PS/2协议进行通信的，因此设计的非标准键盘也必须严格按照该协议，这样才能为系统正确识别和作出响应。PS/2键盘接口标准由IBM公司于1987年推出，该标准采用了6脚mini—DIN连接器（见图2）。该连接器在封装上更加小巧，仍然用双向串行通信协议，并且提供有可选择的第三套键盘扫描码集，同时支持l7个主机到键盘的命令。

图2  PS/2端口示意图

    PS/2接口的6个引脚只有4个有定义，它们分别是1脚Data(数据脚)、5脚Clock(时钟脚)、3脚Ground(电源地)、4脚Vcc(+5V电源)；2脚和6脚为未定义保留端口。PS/2键盘与PC机的物理连接，只要保证这4根线一一对应就可以了。键盘靠PC的PS/2端口提供+5V电源，因此不需要专门电源。另外时钟脚Clock和数据脚Data都是集电极开路的，需外接上拉电阻，上拉电阻的阻值一般可取1K～10K，这和51系列单片机IO口的特性是一致的。

    PS/2通信协议是一种双向同步串行通信协议。通信的两端通过Clock(时钟脚)同步，并通过Data(数据脚)交换数据。PS/2的数据是按帧进行传输的，每一数据帧包含l1～12个位，其中键盘发送的数据帧为11位。1个起始位（低电平）、8个数据位(低位在前，高位在后)、1个奇偶校验位（采用奇校验）、1个停止位（高电平）。在键码传送的同时，微控制器还传送1个键码时钟同步信号，用于同步键码数据的接收，键码中每个数据位的传送发生在键盘时钟的下降沿。最大的时钟频率是33kHz 而且大多数设备工作在10～20kHz，推荐频率在15kHz左右^[2]。

    当有键按下时，键盘发送一个接通码给主机，接通码值在00～7F之间。当按键松开后，键盘首先发送断开码标志F0H，然后再发送该键的接通码。如果按键按下0.5秒仍没断开，则以每秒6个键码的速率发送到主机。Clock和Data必须为高电平时，才能传送键码数据。键码的每一位传送发生在时钟的下降沿，在时钟高电平期间发生变化。

    图3为接通键码为2C，即按下t键时，键码和时钟的传送时序。

图3 键码2C传输时的通信时序   

    软件包括定时0中断子程序、定时1中断子程序、主程序等。其中，定时器0中断子程序用于定时（如50ms）检测单片机工作状态，实现看门狗功能，完成单片机的自动复位，防止软件出现死机现象。定时器1中断子程序用于设定时钟高低电平的持续时间，即确定时钟的频率，这里采用的时钟频率为16 kHz。主程序循环检测有无键被按下、判断哪个键被按下并确定对应的键码，然后确定是否输出键码和同步时钟信号。如有键被按下，则输出相应的键码同时并输出同步时钟信号。然后再扫描按键是否断开，若断开则发送断开扫描码和时钟信号。主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程图