0 引言

AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能，片內(nèi)含8 k可反復(fù)檫寫(xiě)的單片機(jī)，具有外圍硬件電路簡(jiǎn)單，體積小，可靠性高，選用其完成鍵盤(pán)" title="鍵盤(pán)">鍵盤(pán)的監(jiān)控任務(wù)，在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)侯可能不小心按下鍵盤(pán)的按鍵，改變了設(shè)備或儀器的參數(shù)和狀態(tài)，使系統(tǒng)運(yùn)行不正常。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(mǎn)足這些要求。本文介紹一種用89C52設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可鎖定加密PC／AT" title="PC／AT">PC／AT鍵盤(pán)。另外，本鍵盤(pán)固定于主機(jī)操控臺(tái)" title="操控臺(tái)">操控臺(tái)，因此，又具有一定的抗振性和密封性。

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。本鍵盤(pán)采用非編碼鍵盤(pán)，14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(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)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(xiàn)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。

2．1．1 PC系統(tǒng)到鍵盤(pán)的通信協(xié)議

若時(shí)鐘線(xiàn)出現(xiàn)高電平，數(shù)據(jù)線(xiàn)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。

2．1．2 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：
①鍵盤(pán)收到FFH后立即回送ACK(FAH)作答；
②鍵盤(pán)接口收到ACK后，將鍵盤(pán)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線(xiàn)置為高電平；
③鍵盤(pán)檢測(cè)到此狀態(tài)后開(kāi)始BAT操作；
④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)。
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×0．004 17](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：

①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)；
②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)；
③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。

(8)F2H，F(xiàn)1H，EFH：保留未用。
(9)F0H：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。
(10)EEH：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。
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。

2．1．3 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(hù)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。
①FEH：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。
②FAH：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)。
③00H：超限應(yīng)答。當(dāng)用戶(hù)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。
④FDH：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。

⑤AAH：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。
⑥EEH：回響命令的應(yīng)答，對(duì)鍵盤(pán)EEt{命令的應(yīng)答。
⑦F0H：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)

圖1為電路結(jié)構(gòu)框圖，電路核心為單片機(jī)AT89C52，工作頻率為8～11 MHz。圖中可以看出，89C52單片機(jī)有4個(gè)8位I／O端口，因此可以采用PO再加上P2口的4個(gè)(P2．0到P2．5)作為行掃描線(xiàn)。P1口作為列輸入線(xiàn)(如果用PO口作列輸入線(xiàn)，必須加上拉電阻)。采用P3．0、P3．1作為數(shù)據(jù)線(xiàn)和時(shí)鐘線(xiàn)與PC系統(tǒng)進(jìn)行通信，用P3．4、P3．5、P3．6控制鍵盤(pán)上的3個(gè)指示燈。硬件原理如圖1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(xiàn)(SCK)、串行數(shù)據(jù)線(xiàn)(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。圖2～4是主要軟件模塊的流程圖。

 

5 結(jié)束語(yǔ)

該鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)從軟、硬件都作了周密考慮，可靠性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，特別適合部隊(duì)野外訓(xùn)練使用。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。具有很好的發(fā)展前景。