摘要：針對目前使用的RS232接口數(shù)字化B超鍵盤存在PC主機啟動時不能設(shè)置BIOS，提出一種PS2鍵盤的設(shè)計方法?；?a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/tags/W78E052D" title="W78E052D" target="_blank">W78E052D單片機，采用8通道串行A／D轉(zhuǎn)換器設(shè)計了8個TGC電位器信息采集電路，電位器位置信息以鍵盤掃描碼序列形式發(fā)送，正交編碼器信號通過XC9536XL轉(zhuǎn)換為單片機可接收的中斷信號，軟件接收到中斷信息后等效處理成按鍵。結(jié)果表明，在滿足開機可設(shè)置BIOS同時，又可實現(xiàn)超聲特有功能，不需要專門設(shè)計驅(qū)動程序，接口簡單，成本低。
關(guān)鍵詞：RS232；單片機；PS2；鍵盤

    早期B超產(chǎn)品設(shè)計大多采用單片機和可編程器件(CPLD)來控制整個系統(tǒng)，鍵盤直接由主控單片機掃描處理，或?qū)ｉT用單片機處理鍵掃并經(jīng)RS232接口與主控單片機通訊。隨著B超數(shù)字化技術(shù)的誕生，需要大量控制數(shù)據(jù)存儲并可下傳給超聲模塊，主控單片機逐漸被計算機取代。在B超數(shù)字化過程中，RS232接口的鍵盤存在需要設(shè)計驅(qū)動程序，且存在PC啟動時無法進入BIOS設(shè)置的問題，而且串口有逐漸被取消的趨勢。如果直接采用PS2或USB標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，則需要另行設(shè)計超聲特有的功能模塊、該模塊與主機的接口及其驅(qū)動程序，而且PC鍵盤的外觀會影響B(tài)超整體造型設(shè)計。
    本文提出了一種用單片微機實現(xiàn)PS2超聲鍵盤的設(shè)計方法，鍵盤包括字母數(shù)字按鍵和超聲功能模塊，設(shè)計兼顧BIOS設(shè)置，直接可使用操作系統(tǒng)(Windows)提供的驅(qū)動程序。

1 接口協(xié)議
    PS2接口協(xié)議是現(xiàn)在大多數(shù)鍵盤、鼠標(biāo)與PC機通訊的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。鍵盤與鼠標(biāo)在傳輸協(xié)議上，只是傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容不一樣。
    充分理解該接口協(xié)議，可以幫助設(shè)計者自主開發(fā)專用的多功能鍵盤。
    PS2接口協(xié)議是一種雙向同步串行協(xié)議，換句話說，PS2設(shè)備可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主機，而主機也可以發(fā)送數(shù)據(jù)到設(shè)備，但主機總是在總線上有優(yōu)先權(quán)，它可以在任何時候抑制來自于設(shè)備的通訊——即把時鐘拉低。
    從設(shè)備發(fā)送到主機的數(shù)據(jù)在時鐘信號的下降沿被讀取，從主機發(fā)送到設(shè)備的數(shù)據(jù)在上升沿被讀取。不管通訊的方向怎樣，設(shè)備總是產(chǎn)生時鐘信號，如果主機要發(fā)送數(shù)據(jù)它必須首先告訴設(shè)備開始產(chǎn)生時鐘信號。最大時鐘頻率是33 kHz，而且大多數(shù)設(shè)備工作在10～20 kHz。
    PS2連接器、發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)、命令集在《PS／2技術(shù)參考》一文中有詳細(xì)描述。

2 掃描碼
    鍵盤處理器獲得有鍵按下、釋放或按住的信息，信息最終以掃描碼的形式發(fā)給計算機。
    標(biāo)準(zhǔn)計算機上的每個按鍵都有唯一的通碼和斷碼，所有這些通斷碼組成了掃描碼集。掃描碼集一共有3套，分別對應(yīng)3種鍵盤，現(xiàn)代鍵盤默認(rèn)的是第二套掃描碼集。
    1)掃描碼分通碼和斷碼。根據(jù)掃描碼的不同，可將按鍵分為3種；
    2)通碼為1字節(jié)，斷碼為0xF0+通碼形式；
    3)通碼為2字節(jié)，0xE0+0xXX形式，斷碼為0xE0+0xF0+0xXX形式；
    特殊按鍵，有兩個，Pause和Print screen。
    掃描碼個數(shù)是固定的，無法隨意增加，自行設(shè)計PS2鍵盤就是要靈活運用第二套掃描碼集。B超鍵盤用到了數(shù)字字符鍵，這一部分跟計算機鍵盤基本相同。除數(shù)字字符鍵外的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤按鍵和預(yù)留按鍵的掃描碼就當(dāng)作功能操作調(diào)節(jié)時的信息代碼。

3 鍵盤方案及硬件設(shè)計
3．1 鍵盤方案設(shè)計
    數(shù)字化B超鍵盤由字母數(shù)字(Alphanumeric)鍵、功能鍵、功能調(diào)節(jié)編碼器、總增益調(diào)節(jié)編碼器、八段TGC(時間增益補償，Time Gain Compensation)調(diào)節(jié)電位器等幾部分組成，如圖1所示。

    按鍵總數(shù)為88個，且需今后擴充，故采用行列結(jié)構(gòu)，字母數(shù)字鍵的掃描碼參照標(biāo)準(zhǔn)鍵盤設(shè)計，功能鍵則直接使用字母數(shù)字鍵除外的掃描碼，這樣B超鍵盤相當(dāng)于在標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的基礎(chǔ)上增加編碼器處理和TGC電位器數(shù)據(jù)采集兩個模塊。
    編碼器輸出具有A相、B相的方波正交信號，而且二者相序取決于編碼器的正反轉(zhuǎn)方向，文獻中對原理及處理方法有詳細(xì)描述。不同的是，只用鑒相器，兩個編碼器正轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的脈沖信號分別輸出至，反轉(zhuǎn)時分別輸出至。
    8個TGC電位器以前采用8通道并行ADC或單通道ADC+8選1模擬開關(guān)完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，占用單片機I／O口較多，電路接口復(fù)雜，現(xiàn)采用串行8通道ADC，控制簡單，跟MAX111相比不需要轉(zhuǎn)換時間，而且集成度更高。
3．2 硬件設(shè)計
    鍵盤硬件電路由單片機W78E052D、串行AD轉(zhuǎn)換器TLC0838、可編程器件XC9536XL和兩片3-8譯碼器74HC138等組成，如圖2所示。

     W78E052D是臺灣新唐科技(Nuvoton)推出的一款寬電壓(2．4-5．5 V)低功耗CMOS8位單片機，指令系統(tǒng)與8052完全兼容。PLCC44封裝的W78E052D片內(nèi)含8KB的可編程的Flash只讀程序存儲器，256字節(jié)RAM，4個8位雙向、可位尋址的I／O口，一個附加的4位I／O口P4，3個16位定時／計數(shù)器，一個硬件看門狗定時器及一個串行口。比傳統(tǒng)8051增加了兩個外中斷，可滿足接入4個外中斷信號的需求。
    TLC0838是TI公司生產(chǎn)的8位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。具有輸入可配置的多通道多路器和串形輸入輸出方式。由于TLC0838采用的是串行輸入結(jié)構(gòu)，因此封裝體積小，可節(jié)省51系列單片機I／O資源，價格也較適中。因8個通道全部使用，故其多路器由軟件配置為單端輸入。
    編碼器輸出正交的信號經(jīng)CPLD(XC9636XL)作倍頻鑒相轉(zhuǎn)換成單片機能接收的脈沖信號，單片機的處理工作得以簡化。兩個編碼器共輸出4路信號，以此作為單片機的外部中斷源。在CPLD中還擴展了6個輸出口用于指示Depth、Zoom、Focus、LP、A-Pwr調(diào)節(jié)功能是否可用及圖像是否處于凍結(jié)狀態(tài)。
    鍵盤按鍵以行列形式排成16x8矩陣，輸出列線16根，輸入檢測行線8根，最多支持128鍵，每個行列線交叉處設(shè)置一個按鍵。為了減少I／O的占用，采用兩片3-8譯碼器(74HC138)實現(xiàn)4-16譯碼，給A11-A8依次輸出0000、0001、0010、0011、0100、1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111，即可依次拉低列線S00-S015，同時讀取行線P1口，行線為低代表當(dāng)前拉低的列線與該行線交叉處的按鍵被按下。比采用接口芯片，成本更低。

4 軟件設(shè)計
4．1 主程序設(shè)計
    軟件設(shè)計部分的主程序流程如圖3所示。

    主程序完成初始化后，進人命令查詢處理，不斷查詢有沒有來自計算機的命令，有則應(yīng)答并處理，接著檢查鍵掃標(biāo)志，有鍵掃標(biāo)志(即=1)則進行鍵盤處理，否則繼續(xù)查詢命令。
    鍵盤處理流程如下：在實時狀態(tài)，對TGC電位器進行AD采樣，并與上一次結(jié)果比較，有變化則發(fā)送給計算機，凍結(jié)狀態(tài)跳過TGC處理；接著判斷掃描編碼器旋轉(zhuǎn)標(biāo)志位，有則以鍵碼形式發(fā)送給主機；然后掃描鍵盤陣列，有鍵按下或釋放，則以查表方式取得掃描碼，并發(fā)給計算機。
    鍵盤掃描采用定時器0中斷方式，晶體頻率為24 MHz按方式1工作，最大定時時間為32．768ms，定時器中實現(xiàn)計數(shù)3次，可定時98．3ms，以此作鍵盤處理周期，定時間到則將鍵盤掃描標(biāo)志置為1。
4．2 外中斷程序設(shè)計
    新增的2個中斷，其中斷信號由P4口輸入，中斷功能／狀態(tài)通過XICON寄存器控制，P4和XICON不是標(biāo)準(zhǔn)80C52的寄存器，需預(yù)先定義——在源文件頭上加入以下兩行：
    P4      EQU 0D8H
    XICON   EQU 0C0H
    中斷服務(wù)程序只完成置編碼器旋轉(zhuǎn)標(biāo)志位的處理，主程序中根據(jù)標(biāo)志位以按鍵鍵碼的形式發(fā)送信息。中斷服務(wù)程序源代碼如下：
   

4．3 初始化及命令查詢處理
    初始化過程是設(shè)計過程中需要注意的。計算機啟動過程跟主板有關(guān)，因為主機在總線上有優(yōu)先權(quán)，通信過程發(fā)生異常，將禁用設(shè)備，而且目前找不到介紹計算機啟動過程中對鍵盤操作細(xì)節(jié)的描述，所以本部分的設(shè)計是難點。
    經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，上電后，鍵盤完成白檢即發(fā)送代碼0AAH給計算機，計算機在啟動過程中可以進行復(fù)位、讀ID、停止鍵掃、使能鍵掃、控制LED狀態(tài)等操作，而且有時計算機會拉低時鐘信號——抑制通訊，在整個過程中，只要主機認(rèn)為設(shè)備異常，將抑制通訊導(dǎo)致鍵盤無法使用而且不能進入操作系統(tǒng)。
    每個由計算機發(fā)送到鍵盤的數(shù)據(jù)都能從鍵盤獲得一個0FAH應(yīng)答的回應(yīng)，唯一例外的是鍵盤對Resend和Echo命令的回應(yīng)。在發(fā)送下一個字節(jié)給鍵盤之前，主機要等待應(yīng)答。鍵盤作為從設(shè)備，無法預(yù)先知道什么時候主機會發(fā)送控制命令，一旦主機發(fā)送命令給設(shè)備，設(shè)備沒有回應(yīng)，主機即將該設(shè)備掛起，除非重新開機。
    針對命令集，設(shè)計了專門的應(yīng)答子程序，根據(jù)設(shè)備收到的命令，作出相應(yīng)的回答和處理。
    經(jīng)邏輯分析儀測試、分析和反復(fù)驗證，發(fā)現(xiàn)在主程序中插入命令查詢處理程序，既能滿足初始化的要求，還可以保證鍵盤及時接收和處理來自主機的信息，維持鍵盤設(shè)備正常工作，命令查詢處理程序流程如圖4所示。這部分概括起來就是空出360μs的等待時間(15μsx20)，作查詢，如果在這段時間內(nèi)，數(shù)據(jù)線和時鐘線同時變?yōu)榈碗娖剑硎炬I盤有命令需發(fā)送，設(shè)備產(chǎn)生時鐘以接收命令，并根據(jù)收到的命令做相應(yīng)的處理。

4. 4 TGC數(shù)據(jù)處理
    TGC數(shù)據(jù)發(fā)送實質(zhì)上是一個掃描碼的序列，如第一個TGC增益數(shù)據(jù)為80，依次向計算機發(fā)送0x14 0x16 0x3E0x45 0xF0 0x14，對應(yīng)鍵“L Ctrl”按下、鍵“1”按下、鍵“8”按下、鍵“0”按下、鍵“L Ctrl”釋放的動作，超聲系統(tǒng)軟件實現(xiàn)解析。實踐證明，發(fā)送每個序列數(shù)據(jù)過程中兩個數(shù)據(jù)間至少應(yīng)延時1．06 ms。
    上述組合不會引起計算機異常，此前嘗試過其他組合，在沒進入超聲軟件時調(diào)節(jié)TGC易引起誤操作。
    特別要注意的是：
    1)開機時ADC采樣使能標(biāo)志清0，禁止采集TGC；
    2)鍵盤上電完成初始化后開啟定時器1，聯(lián)合應(yīng)用定時器和計數(shù)器，定時5 s，時間到則ADC采樣使能標(biāo)志置1，可以采集TGC數(shù)據(jù)，TGC數(shù)據(jù)有變化則發(fā)送給計算機；
    3)設(shè)立轉(zhuǎn)換通道標(biāo)志碼，實時狀態(tài)每次鍵掃時根據(jù)標(biāo)志碼只進行相對應(yīng)的一個電位器的模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后將轉(zhuǎn)換標(biāo)志碼指向下一通道。
    采用上述措施旨在解決因開機過程中鍵盤發(fā)送TGC數(shù)據(jù)和正常工作時TGC數(shù)據(jù)頻繁發(fā)送導(dǎo)致鍵盤死機問題，頻繁發(fā)送數(shù)據(jù)以至主機認(rèn)為鍵盤異常而禁用鍵盤。
4．5 狀態(tài)同步處理
    標(biāo)準(zhǔn)鍵盤上有Num Lock，Caps Lock和Scroll Lock3個LED指示燈，為了實現(xiàn)主機與鍵盤的狀態(tài)同步，采用了如下解決方案：鍵盤只發(fā)送Num Lock、Caps Lock、Scroll Lock按下或者釋放的代碼；根據(jù)按鍵情況，主機發(fā)送專門用于指示鍵盤上Num Lock、Caps Lock和ScrollLo-ck3個LED狀態(tài)的指令；鍵盤處理器收到指令后刷新指示燈。
    設(shè)計中凍結(jié)鍵使用Scroll Lock以保持狀態(tài)同步。
    Depth、Zoom、Focus、I．P、A-Pwr與功能調(diào)節(jié)編碼器組合使用，5個按鍵中每次只有1個激活，激活時led指示燈亮，按鍵狀態(tài)則由鍵盤MCU寄存和切換控制，不同功能激活時調(diào)節(jié)編碼器產(chǎn)生不同的鍵碼，如：Depth激活時編碼器左旋產(chǎn)生“KP-”按下的代碼，右旋則產(chǎn)生“KP +”按下代碼；Zoom激活時編碼器左旋產(chǎn)生“Page Up”按下的代碼，右旋則產(chǎn)生“Page Down”按下代碼。該方法成功解決了狀態(tài)同步問題。

5 結(jié)論
    對基于W78E052D單片機設(shè)計的PS2鍵盤方案、硬件和軟件設(shè)計做了詳細(xì)闡述，命令查詢、TGC和狀態(tài)同步處理對自行設(shè)計非標(biāo)PS2鍵盤有借鑒意義，在整個設(shè)計過程中，通過不斷改進硬件和調(diào)試軟件，得到了預(yù)期的效果。相對于采用多片MCU分別處理幾個模塊最終通過USB集線器同PC主機通訊的方案，接口更簡單，成本更低，而且不需要專門開發(fā)鍵盤驅(qū)動程序。在需要3個以上編碼器的應(yīng)用中，編碼器處理方案有待于進一步改進。