摘? 要: 介紹了標準微機鍵盤與計算機接口的規范,分析了鍵盤的串行通信協議和接口工作時序，并給出了鍵盤與單片機接口硬件電路和應用程序實例。
關鍵詞： 鍵盤? 接口? 時序? 串行通信? 掃描碼
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微機鍵盤以其穩定性好、使用方便、價格便宜等優點,可有效地應用在輸入量大、要求復雜的儀器儀表中。現存的計算機鍵盤種類很多,但基本原理和接口規范是一樣的。IBM-PC鍵盤的核心器件是Intel公司的單片機8049。單片機采用行列掃描方法來監測是否有鍵按下。若有鍵按下,則轉換為相應的掃描碼,通過串行通訊線將其傳給計算機,由主機接收并處理成擴展鍵盤碼。
1 標準鍵盤工作原理
1.1 通信接口
鍵盤與計算機通過一個五芯接口插座(PS/2接口為六芯)相接,各引腳定義分別是電源(VCC)、地(GND)、串行時鐘線" title="時鐘線">時鐘線SCK和串行數據線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 通信協議
標準鍵盤與計算機采用雙向通信方式,鍵盤可以發送數據給計算機,計算機也可以發送命令給鍵盤。計算機有最高優先權,可以在任何時候發命令給鍵盤。通信協議是標準的串行異步通信格式,1位起始位,8位數據位(LSB在先),1位奇校驗位P,最后是1位停止位。數據格式如圖2所示。
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當SIO和SCK同時為高電平" title="高電平">高電平時,鍵盤可以發數據給計算機。SCK可以用作清除發送線。如果計算機將SCK拉為低電平,鍵盤將不發送數據,而是將要發送的數據放到發送緩沖區中,直到SCK變為高電平才開始發送數據。如果計算機將SIO拉低,則鍵盤在檢測到這一變化時,將接收來自計算機的命令。
圖3(a)給出了鍵盤發送一個字節的時序。鍵盤先將SIO拉低,通知計算機準備接收數據。鍵盤在SCK的上升沿后改變數據,在下降沿時數據有效,可以被計算機讀取。發送數據的時鐘信號" title="時鐘信號">時鐘信號由鍵盤產生。有的文獻介紹鍵盤時鐘頻率的典型值為20～30kHz,但實際上鍵盤的傳送速率不全在這個范圍內。筆者曾做過測試,其中一只鍵盤的時鐘頻率是12.4kHz。
圖3(b)給出了鍵盤接收一個字節的時序。為了避免在同一時刻發送數據,建議計算機先將SCK拉低大約60μs以上,以此通知鍵盤不要發數據。然后計算機將SIO拉低,表明發送數據開始,并釋放SCK,由鍵盤接管SCK并產生時鐘信號。計算機在此時鐘信號的同步下發送數據。鍵盤接收數據是從檢測到SIO變低開始的,然后在SCK下降沿讀起始位,并在SCK的每個下降沿讀取后續數據。鍵盤在接收完校驗位后,如果在下一個時鐘周期檢測到SIO處于空閑態(高電平),便會接受新數據并進行處理。在此期間,鍵盤將把SIO置成低電平,直到接受數據完成。如果收到校驗位后,鍵盤檢測到SIO沒有處于空閑態,它將繼續發送時鐘信號直到SIO空閑。
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1.3 鍵盤掃描碼
一個基本按鍵的掃描碼由3個字節組成,1個字節的接通掃描碼和2個字節的斷開掃描碼。其中第一與第三個字節相同,中間字節是斷開標志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,32H被發送出去,如果一直按住不放,則鍵盤將以按鍵重復率不停地發送32H,直到該鍵釋放,才發出斷開掃描碼F0H 32H。掃描碼與按鍵的位置有關,與該鍵的ASCII碼并無對應關系。鍵盤上還有部分擴展鍵(功能鍵和控制鍵等),這些鍵的掃描碼由5個字節組成。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固定值字節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
除了鍵盤可以向計算機發送按鍵的掃描碼外,計算機還可以向鍵盤發送預定的命令字來對鍵盤功能進行設定。
1.4.1 計算機發往鍵盤的命令
EDH:設置狀態指示燈。該命令用來控制鍵盤上3個指示燈NumLock、ScrollLock、CapLock的亮滅。EDH發出后,鍵盤將回應計算機一個收到應答信號FAH,然后等待計算機發送下一個字節,該字節決定各指示燈的狀態。
Bit0控制ScrollLock;
Bit1控制NumLock;
Bit2控制CapLock;
Bit3～Bit7必須為0,否則鍵盤認為該字節是無效命令,將返回FEH,要求重發。
EEH:回送響應。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。
F0H:設置掃描碼。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,該字節的值01～03將決定鍵盤使用三種掃描碼中的哪一種。上電復位時,鍵盤默認掃描碼類型是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相匹配。01類型掃描碼由兩字節組成,分別為接通掃描碼和斷開掃描碼;03類型掃描碼只有一個字節，為接通掃描碼。
F3H:設置鍵盤重復速率。計算機發送該命令后,鍵盤將回送收到信號FAH,然后等待計算機的第二個字節,該字節決定按鍵的重復速率。
F4H:鍵盤使能。計算機發該命令給鍵盤后,將清除鍵盤發送緩沖區,重新使鍵盤工作,并返回收到信號FAH。
F5H:禁止鍵盤。計算機發該命令給鍵盤后,將使鍵盤復位,并禁止鍵盤掃描。鍵盤將返回收到信號FAH。
FEH:重發命令。鍵盤收到此命令后,將會把上次發送的最后一個字節重新發送。
FFH:復位鍵盤。此命令將鍵盤復位。若復位成功,鍵盤回送收到信號FAH和復位完成信號AAH。
1.4.2 鍵盤發往計算機的命令
??? 00H:出錯或緩沖區已滿。
AAH:電源自檢通過。BAT(基本保證測試)完成。
EEH:回送響應。
FAH： 響應信號。鍵盤每當收到計算機的命令后,都會發此響應信號。
FEH:重發命令。計算機收到此命令后,將會把上次發送的最后一個命令字節重新發送。
FFH:出錯或緩沖區已滿。
2 鍵盤與單片機的接口電路及程序
采用Atmel89C51單片機與標準鍵盤接口電路如圖4所示。口線P1.0和P1.1分別連接SCK和SIO,單片機的口線是上拉輸出形式,可以和鍵盤的通信線直接相連,由軟件控制口線產生收發時序。
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應用程序使用Franklin C51編寫。在程序中,單片機采用查詢方式檢測數據線狀態。如果數據線變為低電平,說明鍵盤即將有數據發出,則調用讀鍵盤子程序" title="子程序">子程序receive_data讀取一個字節數據;若要發命令字給鍵盤,單片機則調用子程序send_data來完成。
單片機讀取來自鍵盤數據的子程序如下,該程序接收一個字節數據存放在變量from_kb中,并將該值返回到主程序,校驗位放在全局位變量p_bit中。
#include
sbit?? ??? sio=P1^1； ???? ???????????? /*數據線*/
sbit?????? sck=P1^0；????????? ???????? /*時鐘線*/
sbit?????? ACC_7=ACC^7；
sbit?????? ACC_0=ACC^0；
bit???????? p_bit；??????????????? ???? /*檢驗位*/
char receive_data(void)
{???char??????? i；
char??from_kb；???? ?????????? /*放接收到的數據*/
???? while(sck)；
???? while(!sck)；?????????? ?? /*放棄起始位*/
???? for(i=0；i<8；i++) ???????????? /*讀取數據字節*/
???? { while(sck)；?????????????????????/*下降沿讀取數據*/
???? from_kb>>=1；
???? ACC=from_kb；
???? ACC_7=sio；
???? from_kb=ACC；??????????
??? while(!sck)；
}
while(sck)；
p_bit=sio；???? ? ????????????????? /*讀取校驗位*/
while(!sck)；???????????
while(sck)；????????????? ???????? /*略去讀停止位*/
while(!(sck&sio))；??????????????? /*等待時鐘線與數據線都釋放*/
????return(from_kb)；
}
下列程序是89C51單片機發送一個命令字節給鍵盤的子程序。要發送的命令字由主程序傳送,并存于變量to_kb中,該程序按照接口時序通過口線將命令字節傳送給鍵盤。
void send_to_kb(char??? to_kb)???? using 1
{???? char??????? i；
?????? ACC=to_kb；
?????? p_bit=!P；??????? ??? /*對發送字節進行奇校驗,
????????????????????????????????????????? ?校驗結果放在p_bit中*/
?????? sck=0；??????????????????????? /*將時鐘線拉低*/
?????? for(i=0；i<60；i++)；? /*時鐘線低電平保持60μs
??????????????????????????? ???? 以上,以禁止鍵盤往外發數據*/
?????? sio=0；????????? ??????????? /*通知鍵盤接受命令字節，
?????????????????????????????????????? 同時也作為起始位*/
?????? sck=1；???????? ??????????? /*釋放時鐘線，以在鍵盤發
???????????????????? ??? 出的時鐘信號同步下,發送命令字*/
?????? for(i=0；i<8；i++)??????????? /*發送命令字節*/
????????????? {???? while(sck)；
???????????????????? while(!sck)；???? /*上升沿發數據*/
???????????????????? ACC=to_kb；
????????????? sio=ACC_0；
????????????? to_kb>>=1；
}
while(sck)；
while(!sck)；
sio=p_bit；???????????????????????? /*發送奇校驗位*/
while(sck)；
while(!sck)；???????????
sio=1；???????????????????????????? /*釋放數據線*/
}
單片機的嵌入式應用中有些需要進行大量的文字輸入、參數修改和數值設定等操作。通常的方法是在電路中設計鍵盤電路、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。如果在儀器上預留一個標準鍵盤接口,改用微機鍵盤對儀器儀表進行操作,則不僅占用系統資源少,成本低廉,而且微機鍵盤的鍵資源特別豐富,也給操作帶來極大方便。本方法在學校打鈴微電腦定時控制器中被采用,使得時間調整和上百組打鈴設置操作變得非常容易。
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參考文獻
1 熊 寧，王景波.微機鍵盤通信方式及其編程.寧夏大學學報(自然科學版 )，1997;(12)
2 榮 振，梁 華，王春生.單片機擴展標準微機鍵盤技術.微型機與應用，2000;19(7)
3 于印泉，佴曉東，王兆娟.單片機與PC鍵盤接口，內燃機車，2000;(5)