微機鍵盤接口的研究及其在儀器儀表中的應用

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

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座（PC/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SCK和串行數據線SIO，還有一根線未用。兩種鍵盤接口的插座外形圖及各線定義如圖1所示。

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。

當SIO和SCK同時為高電平時，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原則不全在這個范圍內。筆者曾做過測試，其中一只鍵盤的野外頻率是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緩數據。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。

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F0H32H。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，直到該釋放放，才發出斷開掃描碼F0H 32H.掃描碼與按鍵折位置有關，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，熠工掃描碼是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 F0H12H，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以應答信號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，鍵盤將加送收到信號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。

應用程序合作Franklin C51編寫。在程序中，單片機要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 reg51.h>

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;i8;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(!(scksio)); /*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。要發送的命令字由程序傳送，并存于變量to_kb中，該程序按照接口的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;i60;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;i8;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、鍵盤接口的按鍵程序，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。