ＡＴ８９Ｃ５５ＷＤ單片機的標(biāo)準(zhǔn)ＰＣ鍵盤接口設(shè)計

　　摘要：本文設(shè)計一個基于8位單片機的標(biāo)準(zhǔn)PC鍵盤接口，可用于某些工業(yè)電子設(shè)備的智能化和升級換代。單片機具有經(jīng)濟、體積小、穩(wěn)定等特點，用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計既可以節(jié)省成本，充分利用資源，又可以提高系統(tǒng)的可靠性。
　　關(guān)鍵詞：硬件接口；單片機控制；鍵盤
　　
　　一、引言
　　
　　本設(shè)計實現(xiàn)了一個鍵盤接口模塊，它將標(biāo)準(zhǔn)PC鍵盤發(fā)出的位置掃描碼，變換為標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼和OEM掃描碼或Windows虛擬鍵代碼，再以并行或串行方式傳送給上位單片機。
　　
　　二、 AT89C55WD單片機應(yīng)用特點
　　
　　AT89C55WD是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含20k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，引腳兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)89C51和89C52芯片，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內(nèi)置功能強大的微處理器可提供許多高性價比的解決方案，適用于多數(shù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。
　　AT89C55WD有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，以及片內(nèi)時鐘電路。
　　AT89C55WD具有PLCC、PDIP和TQFP三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。
　　AT89C55WD的主要功能特性：
　　兼容MCS51指令系統(tǒng)；32個雙向I/O口；3個16位可編程定時/計數(shù)器；2個串行中斷；2個外部中斷源；片內(nèi)時鐘電路；4-5.5V工作電壓范圍；20kb可反復(fù)擦寫Flash ROM；256×8bit內(nèi)部RAM。
　　
　　三、接口模塊特點
　　
　　模塊在PC鍵盤與上位單片機之間起轉(zhuǎn)換作用，它屏蔽了與PC鍵盤進行數(shù)據(jù)和命令交互的復(fù)雜過程，大大簡化了上位單片機系統(tǒng)的輸入設(shè)計。它實現(xiàn)了類似DOS操作系統(tǒng)中鍵盤中斷服務(wù)程序的功能，并可使用標(biāo)準(zhǔn)的鍵盤編碼進行編程；要求上位單片機通過8位并行接口與其相接，對于不能提供并行接口的系統(tǒng)，可使用SPI兼容的同步串行接口與其相接，特別是對于那些希望占用單片機的系統(tǒng)資源少而需要擴展的鍵數(shù)較多、儀器整體需要美觀大方的應(yīng)用場合，其性能價格比更具優(yōu)勢。
　　3 計算機中標(biāo)準(zhǔn)PC機鍵盤的工作原理
　　鍵盤接口信號有電源、地、鍵盤時鐘KB-CLK、鍵盤數(shù)據(jù)KB-DAT。正常工作時，鍵盤電路不斷地掃描鍵盤矩陣。若有鍵按下，則以串行方式發(fā)送按鍵的位置掃描碼給主板鍵盤接口電路。按下鍵時，發(fā)送接通掃描碼，松開鍵時，發(fā)送該鍵的斷開掃描碼。
　　標(biāo)準(zhǔn)鍵盤與主機的通信是雙向的，采用11位的串行異步通信格式，這些數(shù)據(jù)包括起始位0、8位數(shù)據(jù)位（LSB在先）、奇校驗位、停止位1。圖1給出了鍵盤發(fā)送時序。數(shù)據(jù)（KB-DAT）在時鐘（KB-CLK）的上升沿改變，下降沿時有效，可被主機讀取。圖2給出鍵盤接收時序。主機發(fā)送前，先將KB-CLK拉低，以抑制鍵盤發(fā)送，再將KB-DAT拉低發(fā)送起始位，然后釋放KB-CLK線，鍵盤接管KB-CLK并產(chǎn)生時鐘信號，主機在KB-CLK信號同步下發(fā)送其他位。
　　
　　
　　四、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤接口模塊的工作原理
　　
　　1.基本工作原理概述
　　PC鍵盤與該模塊通過專用插座相連，數(shù)據(jù)KB-DAT接到AT89C2051的P3 .0引腳。在PC鍵盤有鍵按下時，KB-CLK信號會引起AT89C2051的連續(xù)中斷，通過定時器T0與外中斷的協(xié)同工作，可將PC鍵盤發(fā)出的位置掃描碼序列接收至緩沖區(qū)中。然后，在主程序中將位置掃描碼解碼、查表換算，再編碼成一字節(jié)WINDOWS的虛擬鍵代碼或兩字節(jié)的OEM掃描碼與ASCII碼，存入系統(tǒng)中FIFO棧。在上位單片機可以接收新鍵值時，將FIFO棧中編碼數(shù)據(jù)以并行或串行方式傳送給上位單片機。
　　2.中斷解碼的工作原理
　　由于按鍵輸入是隨機的，為了能實時響應(yīng)，在程序中使用定時器T0中斷和中斷協(xié)同工作，將位置掃描碼序列恢復(fù)至鍵盤接收緩沖區(qū)中。中斷服務(wù)程序用來將碼值的一位移入緩沖區(qū)中，T0溢出的中斷服務(wù)程序主要用來判斷一次按鍵所發(fā)出的碼是否己全部接收。系統(tǒng)設(shè)置T0的定時間隔為5ms，并在系統(tǒng)啟動后就開始定時。由于在正常接收每個按鍵的碼值序列過程中，鍵盤發(fā)送的每位數(shù)據(jù)間隔不會大于5ms，因此在每次中斷服務(wù)中，首先要判斷T0是否溢出過，若溢出，則認為該次中斷是開始接收新碼值，需將位計數(shù)器清零，否則只需移入一位數(shù)據(jù)即可，然后重新啟動定時器，退出中斷服務(wù)程序。在新按鍵碼值序列接收完成后，設(shè)置blnDataValid標(biāo)志符以通知主程序。
　　3.主程序的工作原理
　　主程序主要有四個任務(wù)：（1）將鍵盤接收緩沖區(qū)的位置掃描碼通過查表等算法換成統(tǒng)一編碼的一個字節(jié)Windows虛擬鍵代碼或兩個字節(jié)的OEM掃描碼與ASCII碼；（2）根據(jù)系統(tǒng)中CAPS LOCK鍵、NUM LOCK鍵及SCROLL LOCK鍵的狀態(tài)信息控制鍵盤上三個指示燈的亮滅；（3）系統(tǒng)中設(shè)立的正棧的維護；（4）與上位單片機碼值傳送的握手交互過程。
　　在主程序中檢測到blnDataValid標(biāo)志后，即在鍵盤接收緩沖區(qū)中已接收到一個新的位置掃描碼序列，程序根據(jù)序列的不同特點做不同處理，根據(jù)硬件跳線的設(shè)置得到相應(yīng)按鍵的Windows虛擬鍵代碼或ASCII碼與OEM掃描。
　　在向上位單片機發(fā)送FIFO棧首的碼值之前要先檢測ACK信號狀態(tài)以確定上位單片機是否已取走上次碼值。若ACK信號有效，則將碼值鎖存在P1口上，然后由P3.7產(chǎn)生模擬的時鐘脈沖信號，一方面將8位并行碼值置入串一并轉(zhuǎn)換芯(74LS165)片中，另一方面將觸發(fā)器(74LS74)置為1，使端變?yōu)?，為上位單片機提供碼值準(zhǔn)備好(PS_READY#)信號，并點亮指示燈。在上位單片機中，可查詢此狀態(tài)信號也可利用此狀態(tài)信號申請中斷。上位單片機若采用并行接口方法，則發(fā)出讀緩沖器信號和片選信號，便可通過三態(tài)緩沖器(74LS244)取得鍵值；若采用串行接口方法，則需發(fā)出串行時鐘（S_READ），從74LS165的串行數(shù)據(jù)端（S_DAT）讀回8位碼值。在上位單片機讀取完當(dāng)前的鍵值后，ACK信號將由握手邏輯自動置為有效，系統(tǒng)可通過檢測ACK信號的狀態(tài)以發(fā)送下一個碼值。
　　結(jié)束語：
　　實踐證明應(yīng)用該模塊不但可大大地簡化鍵盤輸入電路及程序設(shè)計，而且在使用高級語言書寫程序更加方便。該模塊可識別標(biāo)準(zhǔn)鍵盤上的所有按鍵，并能自動考慮SHIFT、NUMLOCK及CAPLOCK鍵對編碼的影響。
　　作者單位：西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院
　　
　　參考文獻：
　　[1]李全利，仲偉峰．單片機原理及應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2006.77-84.
　　[2]