引 言
在智能儀器,、自動(dòng)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(kāi)放式,、模塊化的要求,，嵌入式PC具有標(biāo)準(zhǔn)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(pán)" title="鍵盤(pán)">鍵盤(pán)接口等。所以,，可以用標(biāo)準(zhǔn)的PC鍵盤(pán)對(duì)嵌入式PC進(jìn)行操作與控制,。鍵盤(pán)在輸入指令之后，可能很長(zhǎng)一段時(shí)間不用,。為計(jì)算機(jī)安全和防止誤觸發(fā),，需要將鍵盤(pán)鎖定，還要對(duì)某些鍵采取屏蔽措施,，但是PC標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)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(jì)實(shí)現(xiàn)的可鎖定加密PC/AT鍵盤(pán)。
1 鍵盤(pán)功能及工作原理
PC鍵盤(pán)功能主要有按鍵識(shí)別,、去抖,、重鍵處理、發(fā)送掃描碼,、自動(dòng)重發(fā),、接收鍵盤(pán)命令、處理命令等,。鍵盤(pán)有編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán),。編碼鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但硬件電路復(fù)雜,，價(jià)格較高,；非編碼鍵盤(pán)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)識(shí)別鍵、編碼轉(zhuǎn)換,、去抖等功能,，硬件電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜?，F(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)中廣泛采用非編碼鍵盤(pán),。PC鍵盤(pán)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(shí)別按下的按鍵,。
2 PS/2協(xié)議
PS/2協(xié)議是外設(shè)與主機(jī)之間通信的一種同步雙向串行協(xié)議,。在該協(xié)議中主機(jī)擁有較高的優(yōu)先級(jí)，在一定條件下可以終止外設(shè)正在進(jìn)行的發(fā)送過(guò)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(yàn)位,、1位停止位（1）,。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)低位在前，高位在后,。外設(shè)每收到主機(jī)發(fā)來(lái)的1幀數(shù)據(jù),，都要緊隨該幀的停止位發(fā)送一個(gè)握手位ACK（0）應(yīng)答主機(jī),。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(jī)的命令,；而主機(jī)則不需發(fā)送握手位，也不需要發(fā)送應(yīng)答幀,。
2.1 鍵盤(pán)到PC鍵盤(pán)接口的通信
當(dāng)時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線均為高電平時(shí),，允許鍵盤(pán)發(fā)送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將接收數(shù)據(jù),；當(dāng)時(shí)鐘線被拉為低電平時(shí),，表明系統(tǒng)禁止數(shù)據(jù)傳輸。圖1給出了發(fā)送時(shí)序,，包含1個(gè)低電平觸發(fā)的起始位、8位數(shù)據(jù)位,、1個(gè)奇校驗(yàn)位和1個(gè)高電平的結(jié)束位,。
2.2 PC系統(tǒng)到鍵盤(pán)的通信協(xié)議
若時(shí)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(qǐng)求發(fā)送,，鍵盤(pán)準(zhǔn)備產(chǎn)生同步時(shí)鐘脈沖串，并接收數(shù)據(jù),。包含了1個(gè)低電平觸發(fā)的起始位,、8位數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇校驗(yàn)位,、1個(gè)應(yīng)答位,、1個(gè)高電平的結(jié)束位。圖2為時(shí)序圖,。
(1)鍵盤(pán)命令及執(zhí)行過(guò)程
① FFH：復(fù)位鍵盤(pán),。系統(tǒng)通過(guò)此軟件復(fù)位命令使鍵盤(pán)進(jìn)入程序復(fù)位和內(nèi)部自測(cè)試，稱(chēng)為基本保證測(cè)試（BAT）,。復(fù)位鍵盤(pán)的過(guò)程如下：
a. 鍵盤(pán)收到FFH后立即回送ACK（FAH）作答,；
b. 鍵盤(pán)接口收到ACK后，將鍵盤(pán)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線置為高電平,；
c. 鍵盤(pán)檢測(cè)到此狀態(tài)后開(kāi)始BAT操作,；
d. 如果BAT正確完成，鍵盤(pán)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(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到從鍵盤(pán)送來(lái)的任何傳輸錯(cuò)誤時(shí),，它便向鍵盤(pán)發(fā)送FEH命令,。鍵盤(pán)接收到此命令后,，將重新送出原來(lái)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(pán)所有條件復(fù)位到電源接通時(shí)的缺省狀態(tài)，鍵盤(pán)繼續(xù)掃描,。
⑤ F5H：設(shè)置缺省值和停止鍵盤(pán),。此命令使鍵盤(pán)所有條件復(fù)位到電源接通時(shí)的缺省狀態(tài)，并停止鍵盤(pán)掃描,，等待下一個(gè)鍵盤(pán)命令,。
⑥ F4H：?jiǎn)?dòng)鍵盤(pán)。鍵盤(pán)接收到此命令后,，用ACK（FAH）作答,，清除輸出緩沖器，并啟動(dòng)鍵盤(pán)開(kāi)始掃描,。
⑦ F3H：設(shè)置拍發(fā)速率和延時(shí)參數(shù),。每當(dāng)按下任一鍵時(shí)，鍵盤(pán)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(shí)參數(shù)是指按下一鍵后，鍵盤(pán)輸出的響應(yīng)時(shí)間,。
系統(tǒng)缺省設(shè)置：拍發(fā)速率=10個(gè)/s±20%,，延時(shí)=500ms±20%。
當(dāng)要改變?cè)O(shè)置時(shí)可以使用F3H命令,，并后跟一個(gè)字節(jié)的參數(shù),。參數(shù)定義如表1所列。
表1
| D6 D5 | D4 D3 | D2 D1 D0 |
| C | B | A |
計(jì)算拍發(fā)速率和響應(yīng)延時(shí)的公式如下：
拍發(fā)速率=1/[（8+A）×2B×0.00417] （1/s）
響應(yīng)延時(shí)=（1+C）×250 （ms）
注：缺省的延時(shí)參數(shù)值為2CH,。
此命令的執(zhí)行過(guò)程如下：
a. 鍵盤(pán)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(pán)若收到隨后的設(shè)置參數(shù),，用另一個(gè)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(shí),，
之后重新開(kāi)始掃描（若鍵盤(pán)原來(lái)是開(kāi)放的）,；
c. 鍵盤(pán)若收到FAH命令，但無(wú)隨后的設(shè)置參數(shù),，則鍵盤(pán)結(jié)束命令設(shè)置,，并保持原來(lái)的拍發(fā)速率和響
應(yīng)延時(shí)，停止掃描。
⑧F2H,，F(xiàn)1,，EFH：保留未用。
⑨F0H：設(shè)置鍵盤(pán)掃描碼命令,。此命令用于設(shè)置鍵盤(pán)的掃描碼,，后跟參數(shù)指定三種掃描碼的哪一種。鍵盤(pán)復(fù)位時(shí),，默認(rèn)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(pán)接收到EEH時(shí)也要回送EEH予以響應(yīng),。若鍵盤(pán)原來(lái)是開(kāi)放的，則繼續(xù)掃描,。
EDH：置位/復(fù)位LED指示器,。鍵盤(pán)右上角有三個(gè)LED指示器，分別反映Caps,、Num和Scroll三個(gè)鍵的鎖定情況,。參數(shù)字節(jié)如表2所列。
此命令執(zhí)行過(guò)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(wú)參數(shù),，則不改變LED原狀態(tài)，并停止掃描,。
(2)鍵盤(pán)響應(yīng)
鍵盤(pán)在下列四種情況下都會(huì)向鍵盤(pán)接口發(fā)送數(shù)據(jù),。
① 按下任一鍵，鍵盤(pán)以拍發(fā)速率向接口發(fā)送鍵盤(pán)接通掃描碼,。
② 釋放所按下的鍵,，鍵盤(pán)發(fā)送斷開(kāi)掃描碼。
③ 系統(tǒng)向鍵盤(pán)發(fā)送鍵盤(pán)命令后,，鍵盤(pán)回送應(yīng)答,。
④ 當(dāng)用戶按鍵速度超出鍵盤(pán)所能容納的最大鍵個(gè)數(shù)時(shí)，鍵盤(pán)做出響應(yīng),。
后三種情況稱(chēng)為鍵盤(pán)響應(yīng),。響應(yīng)字節(jié)有7個(gè)，定義如下,。
① FEH：重新發(fā)送響應(yīng),。當(dāng)鍵盤(pán)收到一個(gè)無(wú)效的鍵盤(pán)命令，或者檢測(cè)到奇偶錯(cuò)的鍵盤(pán)命令時(shí)，鍵盤(pán)回送響應(yīng)字節(jié)為FEH,，要求系統(tǒng)重發(fā)鍵盤(pán)命令,。
② FAH：正常應(yīng)答。對(duì)任何一個(gè)有效的鍵盤(pán)命令,，鍵盤(pán)回送FAH予以響應(yīng),。
③ 00H：超限應(yīng)答。當(dāng)用戶按鍵速度超出鍵盤(pán)所能容納的最大鍵符個(gè)數(shù)時(shí)（16個(gè)字節(jié)的緩沖器）,，鍵盤(pán)發(fā)送00H,。
④ FDH：診斷故障應(yīng)答。鍵盤(pán)接受軟件復(fù)位命令,，執(zhí)行自測(cè)試過(guò)程中,。若檢測(cè)到故障，則以FDH應(yīng)答,。此時(shí),，鍵盤(pán)停止掃描并等待下一個(gè)鍵盤(pán)命令。
⑤ AAH：診斷正常應(yīng)答,。鍵盤(pán)在軟件復(fù)位過(guò)程中,，正常完成BAT測(cè)試，以AAH應(yīng)答,。
⑥ FEH：回響命令的應(yīng)答,，對(duì)鍵盤(pán)FEH命令的應(yīng)答。
⑦ F0H：斷開(kāi)掃描碼前綴,，鍵盤(pán)對(duì)鍵符按下后釋放的應(yīng)答,，第一個(gè)字節(jié)為F0H，第二個(gè)字節(jié)為接通掃描碼（有幾個(gè)鍵例外）,。
3 硬件設(shè)計(jì)
PC系列鍵盤(pán)采用18行×8列的矩陣行列結(jié)構(gòu),。89C51單片機(jī)有4個(gè)8位I/O端口，因此可以采用P0,、P2口再加上P3口的2個(gè)（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(shí)鐘線與PC系統(tǒng)進(jìn)行通信，用P3.2,、P3.4,、P3.5控制鍵盤(pán)上的3個(gè)指示燈。硬件原理如圖3所示,。
鍵盤(pán)與計(jì)算機(jī)通過(guò)一個(gè)五芯（PS/2接口為六芯）插座相接,，4個(gè)有效引腳的定義分別是電源（VCC）,、地（GND）、串行時(shí)鐘線（SCK）,、串行數(shù)據(jù)線（SIO）,。
4 軟件設(shè)計(jì)
① 消抖及重鍵處理：通過(guò)軟件上延時(shí)程序來(lái)消除抖動(dòng)；采用后按鍵優(yōu)先處理,，即多鍵同時(shí)按下時(shí),，只重復(fù)發(fā)送最后按下鍵的掃描碼。
② 程序包括鍵盤(pán)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(shí)器1中斷服務(wù)程序,、主程序等。鍵盤(pán)掃描子程序用于掃描鍵狀態(tài),，將被按鍵的位置號(hào)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(kāi)碼發(fā)送給計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)接口或者存在鍵盤(pán)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(jì)算機(jī)鍵盤(pán)接口,；接收命令子程序用于接收計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)接口發(fā)來(lái)的鍵盤(pán)命令,；定時(shí)器1中斷服務(wù)子程序用于給程序中的延時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，并具有軟件看門(mén)狗功能,，防止軟件出現(xiàn)死機(jī)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(pán)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活,、安全可靠的特點(diǎn)，可用于標(biāo)準(zhǔn)PC和嵌入式PC,。本鍵盤(pán)可以在標(biāo)準(zhǔn)的鍵盤(pán)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,，只需換掉原來(lái)的控制芯片即可，可節(jié)省設(shè)計(jì)成本,。