《電子技術(shù)應(yīng)用》
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89C51的計算機可鎖定加密鍵盤開發(fā)
互聯(lián)網(wǎng)
摘要: 介紹PC鍵盤和鍵盤接口的PS/2通信協(xié)議,,以及用89C51實現(xiàn)可鎖定鍵盤的軟件和硬件設(shè)計方法,。具有安全可靠,、...
關(guān)鍵詞: PS2 89C51 C51 鍵盤
Abstract:
Key words :

引 言

    在智能儀器、自動控制等領(lǐng)域,,已大量使用嵌入式PC,,如Advantech公司的PC/104、AMD公司的DIMM-PC等,。為適應(yīng)開放式,、模塊化的要求,嵌入式PC具有標準的PC接口,,如VGA顯示器控制接口、以太網(wǎng)接口,、RS232接口,、PC/AT鍵盤" title="鍵盤">鍵盤接口等。所以,,可以用標準的PC鍵盤對嵌入式PC進行操作與控制,。鍵盤在輸入指令之后,可能很長一段時間不用,。為計算機安全和防止誤觸發(fā),,需要將鍵盤鎖定,還要對某些鍵采取屏蔽措施,,但是PC標準鍵盤不能滿足這些要求,。本文介紹一種用C51" title="C51">C51" title="89C51" title="89C51">89C51">89C51設(shè)計實現(xiàn)的可鎖定加密PC/AT鍵盤。

1 鍵盤功能及工作原理

    PC鍵盤功能主要有按鍵識別,、去抖,、重鍵處理、發(fā)送掃描碼,、自動重發(fā),、接收鍵盤命令,、處理命令等。鍵盤有編碼鍵盤和非編碼鍵盤,。編碼鍵盤程序設(shè)計簡單,,但硬件電路復(fù)雜,價格較高,;非編碼鍵盤用軟件來實現(xiàn)識別鍵,、編碼轉(zhuǎn)換、去抖等功能,,硬件電路簡單,,價格便宜。現(xiàn)代微機系統(tǒng)中廣泛采用非編碼鍵盤,。PC鍵盤多采用18行×8列的二維矩陣行列結(jié)構(gòu),。采用行掃描法識別按下的按鍵。

2 PS/2協(xié)議

    PS/2協(xié)議是外設(shè)與主機之間通信的一種同步雙向串行協(xié)議,。在該協(xié)議中主機擁有較高的優(yōu)先級,,在一定條件下可以終止外設(shè)正在進行的發(fā)送過程。PS/2協(xié)議采用的傳送數(shù)據(jù)幀的格式為:1位起始位(0),、8位數(shù)據(jù)位,、1位奇偶校驗位、1位停止位(1),。數(shù)據(jù)發(fā)送時低位在前,,高位在后。外設(shè)每收到主機發(fā)來的1幀數(shù)據(jù),,都要緊隨該幀的停止位發(fā)送一個握手位ACK(0)應(yīng)答主機,。然后,外設(shè)還要發(fā)1幀應(yīng)答數(shù)據(jù)(0xF0),,表示外設(shè)已經(jīng)完整地接收到了主機的命令,;而主機則不需發(fā)送握手位,也不需要發(fā)送應(yīng)答幀,。

    2.1 鍵盤到PC鍵盤接口的通信

    當時鐘線和數(shù)據(jù)線均為高電平時,,允許鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù),系統(tǒng)將接收數(shù)據(jù),;當時鐘線被拉為低電平時,,表明系統(tǒng)禁止數(shù)據(jù)傳輸。圖1給出了發(fā)送時序,,包含1個低電平觸發(fā)的起始位,、8位數(shù)據(jù)位、1個奇校驗位和1個高電平的結(jié)束位,。

    2.2 PC系統(tǒng)到鍵盤的通信協(xié)議

    若時鐘線出現(xiàn)高電平,,數(shù)據(jù)線出現(xiàn)低電平,,表明系統(tǒng)請求發(fā)送,鍵盤準備產(chǎn)生同步時鐘脈沖串,,并接收數(shù)據(jù),。包含了1個低電平觸發(fā)的起始位、8位數(shù)據(jù)位,、1個奇校驗位,、1個應(yīng)答位、1個高電平的結(jié)束位,。圖2為時序圖,。

    (1)鍵盤命令及執(zhí)行過程

    ① FFH:復(fù)位鍵盤。系統(tǒng)通過此軟件復(fù)位命令使鍵盤進入程序復(fù)位和內(nèi)部自測試,,稱為基本保證測試(BAT),。復(fù)位鍵盤的過程如下:

    a. 鍵盤收到FFH后立即回送ACK(FAH)作答;

    b. 鍵盤接口收到ACK后,,將鍵盤時鐘和數(shù)據(jù)線置為高電平,;

    c. 鍵盤檢測到此狀態(tài)后開始BAT操作;

    d. 如果BAT正確完成,,鍵盤發(fā)送AAH以表示結(jié)束,,



    否則以FDH(或其它任何值)表示診斷有誤。

    ② FEH:重新發(fā)送,。當系統(tǒng)檢測到從鍵盤送來的任何傳輸錯誤時,,它便向鍵盤發(fā)送FEH命令。鍵盤接收到此命令后,,將重新送出原來的內(nèi)容,。

    ③ FDH~F7H:空操作(保留未用)。

    ④ F6H:設(shè)置缺省值,。此命令使鍵盤所有條件復(fù)位到電源接通時的缺省狀態(tài),鍵盤繼續(xù)掃描,。

    ⑤ F5H:設(shè)置缺省值和停止鍵盤,。此命令使鍵盤所有條件復(fù)位到電源接通時的缺省狀態(tài),并停止鍵盤掃描,,等待下一個鍵盤命令,。

    ⑥ F4H:啟動鍵盤。鍵盤接收到此命令后,,用ACK(FAH)作答,,清除輸出緩沖器,并啟動鍵盤開始掃描,。

    ⑦ F3H:設(shè)置拍發(fā)速率和延時參數(shù),。每當按下任一鍵時,,鍵盤以拍發(fā)速率連續(xù)送出鍵的接通碼,直到鍵被釋放為止,。延時參數(shù)是指按下一鍵后,,鍵盤輸出的響應(yīng)時間。

    系統(tǒng)缺省設(shè)置:拍發(fā)速率=10個/s±20%,,延時=500ms±20%,。

    當要改變設(shè)置時可以使用F3H命令,并后跟一個字節(jié)的參數(shù),。參數(shù)定義如表1所列,。

    表1 

D7
0
D6  D5 D4  D3 D2  D1  D0
C B A

    計算拍發(fā)速率和響應(yīng)延時的公式如下:

    拍發(fā)速率=1/[(8+A)×2B×0.00417] (1/s)

    響應(yīng)延時=(1+C)×250 (ms)

    注:缺省的延時參數(shù)值為2CH。

    此命令的執(zhí)行過程如下:

    a. 鍵盤收到F3H命令后,,用FAH予以響應(yīng),,并停止掃描和等待隨后的參數(shù);

    b. 鍵盤若收到隨后的設(shè)置參數(shù),,用另一個ACK響應(yīng),,并按其參數(shù)設(shè)置新的拍發(fā)速率和響應(yīng)延時,

之后重新開始掃描(若鍵盤原來是開放的),;

c. 鍵盤若收到FAH命令,,但無隨后的設(shè)置參數(shù),則鍵盤結(jié)束命令設(shè)置,,并保持原來的拍發(fā)速率和響

應(yīng)延時,,停止掃描。

    ⑧F2H,,F(xiàn)1,,EFH:保留未用。

    ⑨F0H:設(shè)置鍵盤掃描碼命令,。此命令用于設(shè)置鍵盤的掃描碼,,后跟參數(shù)指定三種掃描碼的哪一種。鍵盤復(fù)位時,,默認掃描碼是第二種,。

    ⑩EEH:回送命令。此命令用于輔助診斷,,要求鍵盤接收到EEH時也要回送EEH予以響應(yīng),。若鍵盤原來是開放的,則繼續(xù)掃描,。

    EDH:置位/復(fù)位LED指示器,。鍵盤右上角有三個LED指示器,分別反映Caps,、Num和Scroll三個鍵的鎖定情況,。參數(shù)字節(jié)如表2所列,。

保 留 1=激勵Caps LED 1=激勵Num LED 1=激勵Scroll LED

此命令執(zhí)行過程與F3H相似。若命令后跟參數(shù),,則按參數(shù)設(shè)定LED狀態(tài)并繼續(xù)掃描,。若僅有命令無參數(shù),則不改變LED原狀態(tài),,并停止掃描,。

    (2)鍵盤響應(yīng)

    鍵盤在下列四種情況下都會向鍵盤接口發(fā)送數(shù)據(jù)。

    ① 按下任一鍵,,鍵盤以拍發(fā)速率向接口發(fā)送鍵盤接通掃描碼,。

    ② 釋放所按下的鍵,鍵盤發(fā)送斷開掃描碼,。

    ③ 系統(tǒng)向鍵盤發(fā)送鍵盤命令后,,鍵盤回送應(yīng)答。

    ④ 當用戶按鍵速度超出鍵盤所能容納的最大鍵個數(shù)時,,鍵盤做出響應(yīng),。

    后三種情況稱為鍵盤響應(yīng)。響應(yīng)字節(jié)有7個,,定義如下,。



    ① FEH:重新發(fā)送響應(yīng)。當鍵盤收到一個無效的鍵盤命令,,或者檢測到奇偶錯的鍵盤命令時,,鍵盤回送響應(yīng)字節(jié)為FEH,要求系統(tǒng)重發(fā)鍵盤命令,。

    ② FAH:正常應(yīng)答,。對任何一個有效的鍵盤命令,鍵盤回送FAH予以響應(yīng),。

    ③ 00H:超限應(yīng)答,。當用戶按鍵速度超出鍵盤所能容納的最大鍵符個數(shù)時(16個字節(jié)的緩沖器),鍵盤發(fā)送00H,。

    ④ FDH:診斷故障應(yīng)答,。鍵盤接受軟件復(fù)位命令,執(zhí)行自測試過程中,。若檢測到故障,則以FDH應(yīng)答,。此時,,鍵盤停止掃描并等待下一個鍵盤命令。

    ⑤ AAH:診斷正常應(yīng)答,。鍵盤在軟件復(fù)位過程中,,正常完成BAT測試,,以AAH應(yīng)答。

    ⑥ FEH:回響命令的應(yīng)答,,對鍵盤FEH命令的應(yīng)答,。

    ⑦ F0H:斷開掃描碼前綴,鍵盤對鍵符按下后釋放的應(yīng)答,,第一個字節(jié)為F0H,,第二個字節(jié)為接通掃描碼(有幾個鍵例外)。

3 硬件設(shè)計

    PC系列鍵盤采用18行×8列的矩陣行列結(jié)構(gòu),。89C51單片機有4個8位I/O端口,,因此可以采用P0、P2口再加上P3口的2個(P3.6和P3.7)作為行掃描線,。P1口作為列輸入線(如果用P0口作列輸入線,,必須加上拉電阻)。采用P3.0,、P3.1作為數(shù)據(jù)線和時鐘線與PC系統(tǒng)進行通信,,用P3.2、P3.4,、P3.5控制鍵盤上的3個指示燈,。硬件原理如圖3所示。

    鍵盤與計算機通過一個五芯(PS/2接口為六芯)插座相接,,4個有效引腳的定義分別是電源(VCC),、地(GND)、串行時鐘線(SCK),、串行數(shù)據(jù)線(SIO),。

4 軟件設(shè)計

    ① 消抖及重鍵處理:通過軟件上延時程序來消除抖動;采用后按鍵優(yōu)先處理,,即多鍵同時按下時,,只重復(fù)發(fā)送最后按下鍵的掃描碼。

    ② 程序包括鍵盤掃描子程序,、發(fā)送鍵碼子程序,、發(fā)送數(shù)據(jù)子程序、接收命令子程序,、定時器1中斷服務(wù)程序,、主程序等。鍵盤掃描子程序用于掃描鍵狀態(tài),,將被按鍵的位置號存入緩沖器中,;發(fā)送鍵碼子程序用于將緩沖區(qū)鍵的接通碼或斷開碼發(fā)送給計算機鍵盤接口或者存在鍵盤密碼緩沖區(qū)中;發(fā)送數(shù)據(jù)子程序用于將數(shù)據(jù)發(fā)給計算機鍵盤接口;接收命令子程序用于接收計算機鍵盤接口發(fā)來的鍵盤命令,;定時器1中斷服務(wù)子程序用于給程序中的延時提供標準時鐘,,并具有軟件看門狗功能,防止軟件出現(xiàn)死機現(xiàn)象,;主程序用于系統(tǒng)初始化,,子程序調(diào)度,鎖定狀態(tài)的顯示等,。

5 結(jié) 論

    本文介紹的PC/AT鍵盤具有結(jié)構(gòu)簡單,、設(shè)計靈活、安全可靠的特點,,可用于標準PC和嵌入式PC,。本鍵盤可以在標準的鍵盤基礎(chǔ)上進行改造,只需換掉原來的控制芯片即可,,可節(jié)省設(shè)計成本,。

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