微机键盘接口的研究及其在仪器仪表中的应用

    摘要：介绍了标准微机键盘与计算机接口的规范，分析了键盘的串行通信协议和接口工作时序，并给出了键盘与单片机接口硬件电路和应用程序实例。

    关键词：键盘 接口 时序 串行通信 扫描码

微机键盘以其稳定性好、使用方便、价格便宜等优点，可有效地应用在输入量大、要求复杂的仪器仪表中。现存的计算机键盘种类很多，但基本原理和接口规范是一样的。IBM-PC键盘的核心器件是Intel公司的单片机8049。单片机采用行列扫描方法来监测是否有键按下。若有键按下，则转换为相应的扫描码，通过串行通讯线将其传给计算机，由主机接收并处理成扩展键盘码。

1 标准键盘工作原理

1.1 通信接口

键盘与计算机通过一个五芯接口插座座（PC/2接口为六芯）相接，各引脚定义分别是电源（VCC）、地（GND）、串行时钟线SCK和串行数据线SIO，还有一根线未用。两种键盘接口的插座外形图及各线定义如图1所示。

1.2 通信协议

标准键盘与计算机采用双向通信方式，键盘可以发送数据给计算机，计算机也可以发送命令给键盘。计算机有最高优先权，可以在任何时候发命令给键盘。通信协议是标准的串行异步通信格式，1位起始位，8位数据位（LSB在先），1位奇校验位P，最后是1位停止位。数据格式如图2所示。

当SIO和SCK同时为高电平时，键盘可以发数据给计算机。SCK可以用作清除发送线。如果计算机将SCK拉为低电平，键盘将不发送数据，而是将要发送的数据放到发送缓冲区中，直到SCK变为高电平才开始发送数据。如果计算机将SIO拉低，则键盘在检测到这一变化时，将接收来自计算机的命令。

图3（a）给出了键盘发送一个字节的时序。键盘先将SIO拉低，通知计算机准备接收数据。键盘在SCK的上升沿后改变数据，在下降沿时数据有效，可以被计算机读取。发送数据的时钟信号由键盘产生。有的文献介绍键盘时钟频率的典型值为20～30kHz，但实际上键盘的传送速原则不全在这个范围内。笔者曾做过测试，其中一只键盘的野外频率是12.4kHz。

图3（b）给出了键盘接收一个字节的时序。为了避免在同一时刻发送数据，建议计算机先将SCK拉低大约60μs 以上，以此通知键盘不要发数据。然后计算机将SIO拉低，表明发送数据开始，并释放SCK，由键盘接管SCK并产生时钟信号。计算机在此时钟信号的同步下发送数据。键盘接收数据是从检测到SIO变低开始的，然后在SCK下降沿读起始位，并在SCK的每个下降沿读取后缓数据。键盘在接收完校验位后，如果在下一个时钟周期检测到SIO处于空闲态（高电平），便会接受新数据并进行处理。在此期间，键盘将把SIO置成低电平，直到接受数据完成。如果收到校验位后，键盘检测到SIO没有处于空闲态，它将继续发送时钟信号直到SIO空闲。

1.3 键盘扫描码

一个基本按键的扫描码由3个字节组成，1个字节的接通扫描码和2个字节的断开扫描码。其中第一与第三个字节相同，中间字节是断开标志F0H。例如B键的接通扫描码是32H，断开扫描码是F0H32H。B键被按下时，32H被发送出去，如果一直按住不放，则键盘将以按键重复率不停地发送32H，直到该释放放，才发出断开扫描码F0H 32H.扫描码与按键折位置有关，与该键的ASCII码并无对应关系。键盘上还有部分扩展键（功能键和控制键等），这些键的扫描码由5个字节组成。与基本键的扫描码相比，接通扫描码与断开扫描码前各多了一个固定值字节E0H。例如Home键的接通扫描码是E0H 70H，熠工扫描码是E0H F0H 70H。还有两个特殊键，PrintScreen键的接通扫描码是E0H 12H E0H 7CH；断开扫描码是E0H F0H 7CH E0H F0H12H，PauseBreak键的接通扫描码是E1H 14H 77H E1H F0H 14H F0H 77H，无断开扫描码。

1.4 通信命令字

除了键盘可以向计算机发送按键的扫描码外，计算机还可以向键盘发送预定的命令字来对键盘功能进行设定。

1.4.1 计算机发往键盘的命令

EDH：设置状态指示灯。该命令用来控制键盘上3个指示灯NumLock、ScrollLock、CapLock的亮灭。EDH发出后，键盘将回应计算机一个收以应答信号FAH，然后等待计算机发送下一个字节，该字节决定各指示灯的状态。

Bit0控制ScrollLock；

Bit1控制NumLock；

Bit2控制CapLock；

Bit3～Bit7必须为0，否则键盘认为该字节是无效命令，将返回FEH，要求重发。

EEH：回送响应。该命令用于辅助诊断，要求键盘收到EEH后也回送EEH予以响应。

F0H：设置扫描码。键盘收到该命令后，将回送收到信号FAH，并等待下一命令字节，该字节的值01～03将决定键盘使用三种扫描码中的哪一种。上电复位时，键盘默认扫描码类型是02，本文所举的例子皆为此类型扫描码。不同类型的扫描码与不同类型的微机相匹配。01类型扫描码由两字节组成，分别为接通扫描码和断开扫描码；03类型扫描码只有一个字节，为接通扫描码。

F3H：设置键盘重复速率，计算机发送该命令后，键盘将加送收到信号FAH，然后等待计算机的第二个字节，该字节决定按键的重复速率。

F4H：键盘使能。计算机发该命令给键盘后，将清除键盘发送缓冲区，重新使键盘工作，并返回收到信号FAH。

F5H：禁止键盘。计算机发该命令给键盘后，将使键盘复位，并禁止键盘扫描。键盘将返回收到信号FAH。

FEH：重发命令。键盘收到此命令后，将会把上次发送的最后一个字节重新发送。

FFH：复位键盘。此命令将键盘复位。若复位成功，键盘回送收到信号FAH和复位完成信号AAH。

1.4.2 键盘发往计算机的命令

00H：出错或缓冲区已满。

AAH：电源自检通过。BAT（基本保证测试）完成。

EEH：回送响应。

FAH：响应信号。键盘每当收到计算机的命令后，都会发此响应信号。

FEH：重发命令。计算机收到此命令后，将会把上次发送的最后一个命令字节重新发送。

FFH：出错或缓冲区已满。

2 键盘与单片机的接口电路及程序

采用Atmel89C51单片机与标准键盘接口电路如图4所示。口线P1.0和P1.1分别连接SCK和SIO，单片机的口线是上拉输出形式，可以和键盘的通信线直接相连，由软件控制口线产生收发时序。

应用程序合作Franklin C51编写。在程序中，单片机要用查询方式检测数据线状态。如果数据线变为低电平，说明键盘即将有数据发出，则调用读键盘子程序receive_data读取一个字节数据；若要发命令字给键盘，单片机则调用子程序send_data来完成。

单片机读取来自键盘数据的子程序如下，该程序接收一个字节数据存放在变量from_kb中，并将该值返回到主程序，校验位放在全局位变量p_bit中。

#include

sbit sio=P1^1； /*数据线*/

sbit sck=P1^0; /*时钟线*/

sbit ACC_7=ACC^7;

sbit ACC_0=ACC^0;

bit p_bit; /*检验位*/

char receive_data(void)

{ char i;

char from_kb; /*放接收到的数据*/

while(sck);

while(!sck); /*放弃起始位*/

for(i=0;i<8;i++) /*读取数据字节*/

{ while(sck); /*下降沿读取数据*/

from_kb>>=1;

ACC=from_kb;

ACC_7=sio;

from_kb=ACC;

while(!sck);

}

while(sck);

p_bit=sio; /*读取校验位*/

while(!sck);

while(sck); /*略去读停止位*/

while(!(sck&sio)); /*等待时钟线与数据线都释放*/

return(from_kb);

}

下列程序是89C51单片机发送一个命令字节给键盘的子程序。要发送的命令字由程序传送，并存于变量to_kb中，该程序按照接口的时序通过口线将命令字节传送给键盘。

Void send_to_kb(char to_kb) using 1

{ char i;

ACC=to_kb;

p_bit=!P; /*对发送字节进行奇校验，校验结果放在p_bit中*/

sck=0; /*将时钟线拉低*/

for(i=0;i<60;i++); /*时钟线低电平保持60μs以上，以禁止键盘往外发数据*/

sio=0； /*通知键盘接受命令字节，同时也作为起始位*/

sck=1； /*释放时钟线，以在键盘发出的时钟信号同步下，发送命令字*/

for(i=0;i<8;i++) /*发送命令字节*/

{ while(sck);

while(!sck); /*上升沿发数据*/

ACC=to_kb;

sio=ACC_0;

to_kb>>=1;

}

while(sck);

while(!sck);

sio=p_bit; /*发送奇校验位*/

while(sck);

while(!sck);

sio=1; /*释放数据线*/

}

单片机的嵌入式应用中有些需要进行大量的文字输入、参数修改和数值设定等操作。通常的方法是在电路中设计键盘电路、键盘接口的按键程序，这不仅占用许多硬件资源，而且由于键扫描处理程序一般都很庞大，软件开销也很大。如果在仪器上预留一个标准键盘接口，改用微机键盘对仪器仪表进行操作，则不仅占用系统资源少，成本低廉，而且微机键盘的键资源特别丰富，也给操作带来极大方便。本方法在学校打铃微电脑定时控制器中被采用，使得时间调整和上百组打铃设置操作变得非常容易。