引 言
在一些自動(dòng)化測(cè)量或智能設(shè)備中,，微機(jī)作為控制中樞,，對(duì)多個(gè)功能單元進(jìn)行控制與管理,，以實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的系統(tǒng)功能,。鍵盤是人機(jī)通信的基本設(shè)備，操作者通過(guò)它完成對(duì)設(shè)備的操控,。PC機(jī)通用鍵盤是與主機(jī)分開(kāi)的獨(dú)立設(shè)備,，其結(jié)構(gòu)外形已經(jīng)固定，需要較大的安裝空間,。但在所研制的產(chǎn)品設(shè)備中,，系統(tǒng)上電運(yùn)行后，往往只需通用鍵盤中的少量按鍵即可完成人機(jī)通信或控制,，如數(shù)字鍵O～9,、→、←,、↑,、↓,、Esc等按鍵。在這種情況下,，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)尺寸的限制,，并為了使操控方便、設(shè)備簡(jiǎn)化等,，不便采用通用鍵盤,，而需使通用鍵盤小型化，并且與產(chǎn)品設(shè)備融為一體,。因此需要研制小型一體化專用鍵盤,。
采用小型一體化專用鍵盤不但可完成按鍵的功能，而且要求根據(jù)儀器外形進(jìn)行一體化優(yōu)化設(shè)計(jì),，使產(chǎn)品外型美觀,、布局合理。小型一體化專用鍵盤不僅適用于一般的儀器控制系統(tǒng),，而且可以用于軍工加固計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,。軍工產(chǎn)品中的微機(jī)多為加固PC類計(jì)算機(jī)，其采用PC機(jī)通用鍵盤,。本文以PC機(jī)通用鍵盤為例,，闡述研制小型一體化專用鍵盤的方法。
1 設(shè)計(jì)原理
PC機(jī)通用鍵盤通過(guò)“PS／2”5芯電纜與主機(jī)相連,。該5芯電纜是鍵盤與主機(jī)之間信息與數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，定義如下：1端，RESET,；2端,，+5 V；3端,，CLOCK,；4端，地,；5端,，按鍵波形。其中1,、2,、4端的信號(hào)由主機(jī)內(nèi)部確定；3端為時(shí)鐘信號(hào)CLOCK,；5端為按鍵波形,，此波形隨按下按鍵的不同而變化。
采用本文介紹的單片機(jī)控制系統(tǒng)和軟件編程的方法,，可以準(zhǔn)確模擬按鍵波形,，使小型專用鍵盤的按鍵波形與PC機(jī)通用鍵盤對(duì)應(yīng)按鍵波形一致,。具體方法如下：首先用示波器測(cè)出PC機(jī)通用鍵盤各按鍵按下時(shí)的波形，并保存起來(lái),；然后用單片機(jī)控制系統(tǒng)和軟件編程模擬出各按鍵的CLOCK波形和按鍵波形,，并確保各按鍵的CLOCK波形和按鍵波形時(shí)序匹配、形狀逼真,，再將按鍵信息通過(guò)5芯電纜傳輸給主機(jī),。所選按鍵可根據(jù)需要安裝在產(chǎn)品的面板上等易于操作的地方。當(dāng)操作者按下某鍵時(shí),，單片機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的CLOCK波形與按鍵波形送給主機(jī),，實(shí)現(xiàn)按鍵功能。這樣就完成了小型專用鍵盤的設(shè)計(jì),。
2 硬件電路及軟件
2．1 單片機(jī)控制電路
采用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型專用鍵盤的硬件電路，如圖1所示,，設(shè)計(jì)完成的小型專用鍵盤的按鍵有18枚,，排成6行×3列的矩陣。單片機(jī)可根據(jù)需要安裝在主機(jī)內(nèi)部的接口板上,，按鍵則安裝在產(chǎn)品的面板等易操作的地方,。當(dāng)按下某按鍵時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)將產(chǎn)生的CLOCK信號(hào)與按鍵信號(hào)通過(guò)“PS／2”5芯電纜傳送給主機(jī),。此硬件電路簡(jiǎn)單,，可充分利用軟件編程來(lái)模擬按鍵波形，實(shí)現(xiàn)鍵盤功能,。系統(tǒng)要判斷某一按鍵是否按下,，可以利用軟件逐一查詢6行×3列矩陣中的按鍵，然后輸出相應(yīng)的按鍵模擬波形,，從而實(shí)現(xiàn)按鍵功能,。
2．2 舉 例
下面以按鍵“8”為例，說(shuō)明如何從PC機(jī)通用鍵盤中“取出”所需按鍵,，并保持各按鍵功能,，形成小型專用鍵盤。首先用示波器測(cè)出在PC機(jī)通用鍵盤上按下“8”鍵時(shí),，5芯鍵盤通信電纜的3端和5端的波形,。按鍵“8”的波形測(cè)量波形如圖2所示。
示波器通道1指示信號(hào)電纜3端的CLOCK波形,，通道2為電纜5端的按鍵“8”的波形,。用單片機(jī)軟件編程模擬圖2所示波形。按照?qǐng)D1所示硬件電路,，編程使單片機(jī)89C51的P2．4端產(chǎn)生CLOCK波形,，P2．6端產(chǎn)生按鍵波形,；P2．4端與5芯鍵盤電纜的3端相連，P2．6端與電纜的5端相連,。當(dāng)操作者按下產(chǎn)品面板上的“8”鍵時(shí),，程序執(zhí)行模擬“8”鍵波形的子程序，并將模擬出的波形傳送給主機(jī),，這樣就完成了按鍵“8”的設(shè)計(jì),。用同樣的方法，可以設(shè)計(jì)出小型專用鍵盤上其他按鍵,。
3 設(shè)計(jì)中要注意的問(wèn)題
3．1 準(zhǔn)確地模擬按鍵波形
每一枚按鍵的波形包括電纜3端的CLOCK波形與電纜5端的按鍵波形,。各按鍵的CLOCK波形相同，如圖2所示通道1的波形,，由10個(gè)脈寬為40μs且間隔也為40μs的脈沖和1個(gè)脈寬為500 μs的脈沖形成CLOCK波形,；而5端的按鍵波形則因按鍵的不同而各異。要準(zhǔn)確地模擬按鍵波形并使之時(shí)序匹配,，即準(zhǔn)確地計(jì)算出脈沖的寬度,，必須精確地計(jì)算出時(shí)間常數(shù)，做好延時(shí)程序,。如果單片機(jī)控制電路采用12 MHz晶振,，則一個(gè)機(jī)器周期為1μs，時(shí)間常數(shù)X的計(jì)算公式為：
(循環(huán)體字節(jié)數(shù))×機(jī)器周期×時(shí)間常數(shù)X=延時(shí)時(shí)間
在上式中,，循環(huán)體字節(jié)數(shù),、機(jī)器周期、延時(shí)時(shí)間都已知,，則時(shí)間常數(shù)x易求得,。例如，延時(shí)1 ms程序如下：
利用上面公式可得到：(1+1+2)×1×X一1 000 μs則X=250μs,，將其帶入上面的程序段中,，執(zhí)行該段程序，能實(shí)現(xiàn)1 ms精確延時(shí),。準(zhǔn)確地計(jì)算出時(shí)問(wèn)常數(shù),，精確地實(shí)現(xiàn)延時(shí)，就能確保模擬波形的準(zhǔn)確性,。3．2按鍵的抖動(dòng)問(wèn)題
凡有按鍵操作的系統(tǒng),，在設(shè)計(jì)中一般都要考慮按鍵的去抖。由于按鍵的機(jī)械觸點(diǎn)有彈性作用,，在閉合及斷開(kāi)瞬間均有抖動(dòng)過(guò)程,，抖動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)短與開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5～lO ms。為了保證按鍵的1次閉合僅作1次按鍵輸入處理,，就必須消除按鍵抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響,。
采用軟件編程消除按鍵抖動(dòng)影響的方法是：當(dāng)檢測(cè)到某一按鍵按下時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)模擬按鍵波形的子程序后,，應(yīng)再判斷該鍵是否彈起,，若沒(méi)有彈起則等待，直至按鍵彈起,；按鍵彈起后,，延時(shí)20 ms再繼續(xù)執(zhí)行后面的程序，以消除按鍵抖動(dòng)現(xiàn)象,。
3．3 同行多個(gè)按鍵同時(shí)有效的問(wèn)題
當(dāng)有按鍵操作,，按下某一鍵時(shí)，可能出現(xiàn)該鍵同一行線上的其他多個(gè)按鍵同時(shí)有效的現(xiàn)象,。采用屏蔽非當(dāng)前列線的方法可解決這一問(wèn)題：當(dāng)檢測(cè)有無(wú)鍵按下時(shí),，須對(duì)列線和行線依次掃描，當(dāng)掃描至某一列線時(shí),，該列線置“O”,，同時(shí)其他列線置“1”，這樣就屏蔽了非當(dāng)前列線,，從而準(zhǔn)確地判斷出某鍵是否按下。
3．4 按鍵波形被吃掉的問(wèn)題
有些按鍵的波形只有1段,，如圖2所示“8”鍵的波形,；而有些按鍵的波形有2段或2段以上，如圖3所示“十”上移鍵的波形,。2段波形間隔1．6 μs,，用單片機(jī)仿真按鍵波形時(shí)，可看到第1段波形形成后,，其后3 ms的時(shí)間內(nèi)時(shí)鐘CLOCK保持低電平,，導(dǎo)致按鍵第2段波形被吃掉。為了解決這一問(wèn)題,，在模擬具有2段以上波形的按鍵時(shí),，在2段波形之間應(yīng)加入3 ms的延時(shí)，使按鍵的第2段波形脫離時(shí)鐘CLOCK的低電平區(qū),。這樣按鍵的第2段波形就不會(huì)被吃掉,，從而保證了按鍵波形的完整，實(shí)現(xiàn)按鍵功能,。
結(jié) 語(yǔ)
采用本文介紹的設(shè)計(jì)方法制作的小型一體化加固機(jī)專用鍵盤,，已應(yīng)用到產(chǎn)品中，其功能穩(wěn)定可靠,，取得了良好效果,。實(shí)際工作中,，可根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和需要，應(yīng)用該設(shè)計(jì)方法研制小型一體化專用鍵盤,，具有推廣意義,。