摘? 要: 介紹了標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)鍵盤與計(jì)算機(jī)接口的規(guī)范,分析了鍵盤的串行通信協(xié)議和接口工作時(shí)序，并給出了鍵盤與單片機(jī)接口硬件電路和應(yīng)用程序?qū)嵗?/P>
關(guān)鍵詞： 鍵盤? 接口? 時(shí)序? 串行通信? 掃描碼
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微機(jī)鍵盤以其穩(wěn)定性好、使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),可有效地應(yīng)用在輸入量大、要求復(fù)雜的儀器儀表中?，F(xiàn)存的計(jì)算機(jī)鍵盤種類很多,但基本原理和接口規(guī)范是一樣的。IBM-PC鍵盤的核心器件是Intel公司的單片機(jī)8049。單片機(jī)采用行列掃描方法來監(jiān)測是否有鍵按下。若有鍵按下,則轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的掃描碼,通過串行通訊線將其傳給計(jì)算機(jī),由主機(jī)接收并處理成擴(kuò)展鍵盤碼。
1 標(biāo)準(zhǔn)鍵盤工作原理
1.1 通信接口
鍵盤與計(jì)算機(jī)通過一個(gè)五芯接口插座(PS/2接口為六芯)相接,各引腳定義分別是電源(VCC)、地(GND)、串行時(shí)鐘線" title="時(shí)鐘線">時(shí)鐘線SCK和串行數(shù)據(jù)線SIO,還有一根線未用。兩種鍵盤接口" title="鍵盤接口">鍵盤接口的插座外形圖及各線定義如圖1所示。
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1.2 通信協(xié)議
標(biāo)準(zhǔn)鍵盤與計(jì)算機(jī)采用雙向通信方式,鍵盤可以發(fā)送數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)也可以發(fā)送命令給鍵盤。計(jì)算機(jī)有最高優(yōu)先權(quán),可以在任何時(shí)候發(fā)命令給鍵盤。通信協(xié)議是標(biāo)準(zhǔn)的串行異步通信格式,1位起始位,8位數(shù)據(jù)位(LSB在先),1位奇校驗(yàn)位P,最后是1位停止位。數(shù)據(jù)格式如圖2所示。
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當(dāng)SIO和SCK同時(shí)為高電平" title="高電平">高電平時(shí),鍵盤可以發(fā)數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)。SCK可以用作清除發(fā)送線。如果計(jì)算機(jī)將SCK拉為低電平,鍵盤將不發(fā)送數(shù)據(jù),而是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)放到發(fā)送緩沖區(qū)中,直到SCK變?yōu)楦唠娖讲砰_始發(fā)送數(shù)據(jù)。如果計(jì)算機(jī)將SIO拉低,則鍵盤在檢測到這一變化時(shí),將接收來自計(jì)算機(jī)的命令。
圖3(a)給出了鍵盤發(fā)送一個(gè)字節(jié)的時(shí)序。鍵盤先將SIO拉低,通知計(jì)算機(jī)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。鍵盤在SCK的上升沿后改變數(shù)據(jù),在下降沿時(shí)數(shù)據(jù)有效,可以被計(jì)算機(jī)讀取。發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號" title="時(shí)鐘信號">時(shí)鐘信號由鍵盤產(chǎn)生。有的文獻(xiàn)介紹鍵盤時(shí)鐘頻率的典型值為20～30kHz,但實(shí)際上鍵盤的傳送速率不全在這個(gè)范圍內(nèi)。筆者曾做過測試,其中一只鍵盤的時(shí)鐘頻率是12.4kHz。
圖3(b)給出了鍵盤接收一個(gè)字節(jié)的時(shí)序。為了避免在同一時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù),建議計(jì)算機(jī)先將SCK拉低大約60μs以上,以此通知鍵盤不要發(fā)數(shù)據(jù)。然后計(jì)算機(jī)將SIO拉低,表明發(fā)送數(shù)據(jù)開始,并釋放SCK,由鍵盤接管SCK并產(chǎn)生時(shí)鐘信號。計(jì)算機(jī)在此時(shí)鐘信號的同步下發(fā)送數(shù)據(jù)。鍵盤接收數(shù)據(jù)是從檢測到SIO變低開始的,然后在SCK下降沿讀起始位,并在SCK的每個(gè)下降沿讀取后續(xù)數(shù)據(jù)。鍵盤在接收完校驗(yàn)位后,如果在下一個(gè)時(shí)鐘周期檢測到SIO處于空閑態(tài)(高電平),便會(huì)接受新數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。在此期間,鍵盤將把SIO置成低電平,直到接受數(shù)據(jù)完成。如果收到校驗(yàn)位后,鍵盤檢測到SIO沒有處于空閑態(tài),它將繼續(xù)發(fā)送時(shí)鐘信號直到SIO空閑。
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1.3 鍵盤掃描碼
一個(gè)基本按鍵的掃描碼由3個(gè)字節(jié)組成,1個(gè)字節(jié)的接通掃描碼和2個(gè)字節(jié)的斷開掃描碼。其中第一與第三個(gè)字節(jié)相同,中間字節(jié)是斷開標(biāo)志F0H。例如B鍵的接通掃描碼是32H,斷開掃描碼是F0H 32H。B鍵被按下時(shí),32H被發(fā)送出去,如果一直按住不放,則鍵盤將以按鍵重復(fù)率不停地發(fā)送32H,直到該鍵釋放,才發(fā)出斷開掃描碼F0H 32H。掃描碼與按鍵的位置有關(guān),與該鍵的ASCII碼并無對應(yīng)關(guān)系。鍵盤上還有部分?jǐn)U展鍵(功能鍵和控制鍵等),這些鍵的掃描碼由5個(gè)字節(jié)組成。與基本鍵的掃描碼相比,接通掃描碼與斷開掃描碼前各多了一個(gè)固定值字節(jié)E0H。例如Home鍵的接通掃描碼是E0H 70H,斷開掃描碼是E0H F0H 70H。還有兩個(gè)特殊鍵,PrintScreen鍵的接通掃描碼是E0H 12H E0H 7CH;斷開掃描碼是E0H F0H 7CH E0H F0H 12H,PauseBreak鍵的接通掃描碼是E1H 14H 77H E1H F0H 14H F0H 77H,無斷開掃描碼。
1.4 通信命令字
除了鍵盤可以向計(jì)算機(jī)發(fā)送按鍵的掃描碼外,計(jì)算機(jī)還可以向鍵盤發(fā)送預(yù)定的命令字來對鍵盤功能進(jìn)行設(shè)定。
1.4.1 計(jì)算機(jī)發(fā)往鍵盤的命令
EDH:設(shè)置狀態(tài)指示燈。該命令用來控制鍵盤上3個(gè)指示燈NumLock、ScrollLock、CapLock的亮滅。EDH發(fā)出后,鍵盤將回應(yīng)計(jì)算機(jī)一個(gè)收到應(yīng)答信號FAH,然后等待計(jì)算機(jī)發(fā)送下一個(gè)字節(jié),該字節(jié)決定各指示燈的狀態(tài)。
Bit0控制ScrollLock;
Bit1控制NumLock;
Bit2控制CapLock;
Bit3～Bit7必須為0,否則鍵盤認(rèn)為該字節(jié)是無效命令,將返回FEH,要求重發(fā)。
EEH:回送響應(yīng)。該命令用于輔助診斷,要求鍵盤收到EEH后也回送EEH予以響應(yīng)。
F0H:設(shè)置掃描碼。鍵盤收到該命令后,將回送收到信號FAH,并等待下一命令字節(jié),該字節(jié)的值01～03將決定鍵盤使用三種掃描碼中的哪一種。上電復(fù)位時(shí),鍵盤默認(rèn)掃描碼類型是02,本文所舉的例子皆為此類型掃描碼。不同類型的掃描碼與不同類型的微機(jī)相匹配。01類型掃描碼由兩字節(jié)組成,分別為接通掃描碼和斷開掃描碼;03類型掃描碼只有一個(gè)字節(jié)，為接通掃描碼。
F3H:設(shè)置鍵盤重復(fù)速率。計(jì)算機(jī)發(fā)送該命令后,鍵盤將回送收到信號FAH,然后等待計(jì)算機(jī)的第二個(gè)字節(jié),該字節(jié)決定按鍵的重復(fù)速率。
F4H:鍵盤使能。計(jì)算機(jī)發(fā)該命令給鍵盤后,將清除鍵盤發(fā)送緩沖區(qū),重新使鍵盤工作,并返回收到信號FAH。
F5H:禁止鍵盤。計(jì)算機(jī)發(fā)該命令給鍵盤后,將使鍵盤復(fù)位,并禁止鍵盤掃描。鍵盤將返回收到信號FAH。
FEH:重發(fā)命令。鍵盤收到此命令后,將會(huì)把上次發(fā)送的最后一個(gè)字節(jié)重新發(fā)送。
FFH:復(fù)位鍵盤。此命令將鍵盤復(fù)位。若復(fù)位成功,鍵盤回送收到信號FAH和復(fù)位完成信號AAH。
1.4.2 鍵盤發(fā)往計(jì)算機(jī)的命令
??? 00H:出錯(cuò)或緩沖區(qū)已滿。
AAH:電源自檢通過。BAT(基本保證測試)完成。
EEH:回送響應(yīng)。
FAH： 響應(yīng)信號。鍵盤每當(dāng)收到計(jì)算機(jī)的命令后,都會(huì)發(fā)此響應(yīng)信號。
FEH:重發(fā)命令。計(jì)算機(jī)收到此命令后,將會(huì)把上次發(fā)送的最后一個(gè)命令字節(jié)重新發(fā)送。
FFH:出錯(cuò)或緩沖區(qū)已滿。
2 鍵盤與單片機(jī)的接口電路及程序
采用Atmel89C51單片機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)鍵盤接口電路如圖4所示?？诰€P1.0和P1.1分別連接SCK和SIO,單片機(jī)的口線是上拉輸出形式,可以和鍵盤的通信線直接相連,由軟件控制口線產(chǎn)生收發(fā)時(shí)序。
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應(yīng)用程序使用Franklin C51編寫。在程序中,單片機(jī)采用查詢方式檢測數(shù)據(jù)線狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)線變?yōu)榈碗娖?說明鍵盤即將有數(shù)據(jù)發(fā)出,則調(diào)用讀鍵盤子程序" title="子程序">子程序receive_data讀取一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù);若要發(fā)命令字給鍵盤,單片機(jī)則調(diào)用子程序send_data來完成。
單片機(jī)讀取來自鍵盤數(shù)據(jù)的子程序如下,該程序接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)存放在變量from_kb中,并將該值返回到主程序,校驗(yàn)位放在全局位變量p_bit中。
#include
sbit?? ??? sio=P1^1； ???? ???????????? /*數(shù)據(jù)線*/
sbit?????? sck=P1^0；????????? ???????? /*時(shí)鐘線*/
sbit?????? ACC_7=ACC^7；
sbit?????? ACC_0=ACC^0；
bit???????? p_bit；??????????????? ???? /*檢驗(yàn)位*/
char receive_data(void)
{???char??????? i；
char??from_kb；???? ?????????? /*放接收到的數(shù)據(jù)*/
???? while(sck)；
???? while(!sck)；?????????? ?? /*放棄起始位*/
???? for(i=0；i<8；i++) ???????????? /*讀取數(shù)據(jù)字節(jié)*/
???? { while(sck)；?????????????????????/*下降沿讀取數(shù)據(jù)*/
???? from_kb>>=1；
???? ACC=from_kb；
???? ACC_7=sio；
???? from_kb=ACC；??????????
??? while(!sck)；
}
while(sck)；
p_bit=sio；???? ? ????????????????? /*讀取校驗(yàn)位*/
while(!sck)；???????????
while(sck)；????????????? ???????? /*略去讀停止位*/
while(!(sck&sio))；??????????????? /*等待時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線都釋放*/
????return(from_kb)；
}
下列程序是89C51單片機(jī)發(fā)送一個(gè)命令字節(jié)給鍵盤的子程序。要發(fā)送的命令字由主程序傳送,并存于變量to_kb中,該程序按照接口時(shí)序通過口線將命令字節(jié)傳送給鍵盤。
void send_to_kb(char??? to_kb)???? using 1
{???? char??????? i；
?????? ACC=to_kb；
?????? p_bit=!P；??????? ??? /*對發(fā)送字節(jié)進(jìn)行奇校驗(yàn),
????????????????????????????????????????? ?校驗(yàn)結(jié)果放在p_bit中*/
?????? sck=0；??????????????????????? /*將時(shí)鐘線拉低*/
?????? for(i=0；i<60；i++)；? /*時(shí)鐘線低電平保持60μs
??????????????????????????? ???? 以上,以禁止鍵盤往外發(fā)數(shù)據(jù)*/
?????? sio=0；????????? ??????????? /*通知鍵盤接受命令字節(jié)，
?????????????????????????????????????? 同時(shí)也作為起始位*/
?????? sck=1；???????? ??????????? /*釋放時(shí)鐘線，以在鍵盤發(fā)
???????????????????? ??? 出的時(shí)鐘信號同步下,發(fā)送命令字*/
?????? for(i=0；i<8；i++)??????????? /*發(fā)送命令字節(jié)*/
????????????? {???? while(sck)；
???????????????????? while(!sck)；???? /*上升沿發(fā)數(shù)據(jù)*/
???????????????????? ACC=to_kb；
????????????? sio=ACC_0；
????????????? to_kb>>=1；
}
while(sck)；
while(!sck)；
sio=p_bit；???????????????????????? /*發(fā)送奇校驗(yàn)位*/
while(sck)；
while(!sck)；???????????
sio=1；???????????????????????????? /*釋放數(shù)據(jù)線*/
}
單片機(jī)的嵌入式應(yīng)用中有些需要進(jìn)行大量的文字輸入、參數(shù)修改和數(shù)值設(shè)定等操作。通常的方法是在電路中設(shè)計(jì)鍵盤電路、鍵盤接口和按鍵程序,這不僅占用許多硬件資源,而且由于鍵掃描處理程序一般都很龐大,軟件開銷也很大。如果在儀器上預(yù)留一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鍵盤接口,改用微機(jī)鍵盤對儀器儀表進(jìn)行操作,則不僅占用系統(tǒng)資源少,成本低廉,而且微機(jī)鍵盤的鍵資源特別豐富,也給操作帶來極大方便。本方法在學(xué)校打鈴微電腦定時(shí)控制器中被采用,使得時(shí)間調(diào)整和上百組打鈴設(shè)置操作變得非常容易。
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參考文獻(xiàn)
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