單片機實現(xiàn)數(shù)字化B超鍵盤設計

摘要：針對目前使用的RS232接口數(shù)字化B超鍵盤存在PC主機啟動時不能設置BIOS，提出一種PS2鍵盤的設計方法。基于W78E052D單片機，采用8通道串行A／D轉(zhuǎn)換器設計了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，在滿足開機可設置BIOS同時，又可實現(xiàn)超聲特有功能，不需要專門設計驅(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計驅(qū)動程序，且存在PC啟動時無法進入BIOS設置的問題，而且串口有逐漸被取消的趨勢。如果直接采用PS2或USB標準鍵盤，則需要另行設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)超整體造型設計。
本文提出了一種用單片微機實現(xiàn)PS2超聲鍵盤的設計方法，鍵盤包括字母數(shù)字按鍵和超聲功能模塊，設計兼顧BIOS設置，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、鼠標與PC機通訊的標準協(xié)議。鍵盤與鼠標在傳輸協(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備的通訊——即把時鐘拉低。
從設備發(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)送到設備的數(shù)據(jù)在上升沿被讀取。不管通訊的方向怎樣，設備總是產(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)設備工作在10～20 kHz。
PS2連接器、發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的細節(jié)、命令集在《PS／2技術(shù)參考》一文中有詳細描述。

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。
標準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3種鍵盤，現(xiàn)代鍵盤默認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)字字符鍵外的標準鍵盤按鍵和預留按鍵的掃描碼就當作功能操作調(diào)節(jié)時的信息代碼。

3 鍵盤方案及硬件設計
3．1 鍵盤方案設計
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準鍵盤設計，功能鍵則直接使用字母數(shù)字鍵除外的掃描碼，這樣B超鍵盤相當于在標準鍵盤的基礎(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。