姚毅，雷凌毅

(西南自動化研究所，四川綿陽621000)

一種具有亮度調(diào)節(jié)功能的雙鍵盤采集模塊設(shè)計

姚毅，雷凌毅

(西南自動化研究所，四川綿陽621000)

針對某型顯控終端設(shè)計一種具有亮度調(diào)節(jié)和記憶功能的雙鍵盤采集模塊，該模塊綜合PWM輸出和EEPROM記憶功能，將雙鍵盤采集和顯示屏亮度控制集成到一個模塊中;通過虛擬PS/2鍵盤和CPU鍵盤控制器，實現(xiàn)用一個PS/2鍵盤接口同時響應(yīng)兩種類型鍵盤的按鍵輸入，WINDOWS系統(tǒng)下PS/2鍵盤的即插即用，獨立的顯示屏亮度控制和亮度記憶功能。

雙鍵盤;即插即用;PS/2鍵盤協(xié)議;PWM

矩陣鍵盤受空間限制，按鍵往往較少，在系統(tǒng)調(diào)試或特殊情況時還需外接標(biāo)準(zhǔn)鍵盤擴(kuò)展使用。通常CPU只有一個PS/2鍵盤接口，直接并聯(lián)矩陣鍵盤和外接的PS/2鍵盤接口電路，勢必造成兩種鍵盤在硬件和通信協(xié)議上產(chǎn)生沖突。此外，PS/2鍵盤在WINDOWS系統(tǒng)下不具備即插即用功能。PS/2鍵盤如果在BIOS自檢時未被識別，操作系統(tǒng)不再響應(yīng)鍵盤輸入。而作為顯控終端，不同使用環(huán)境對顯示屏亮度需求不同。通常顯示屏亮度由終端CPU控制，但這樣設(shè)計易造成顯控終端關(guān)機(jī)重啟后亮度復(fù)位，需重新設(shè)置。且顯示屏亮度依賴于CPU控制功能，不便于通用化。針對上述問題，雙鍵盤采集模塊通過集成微處理器、鍵盤掃描單元，將采集模塊虛擬成PS/2鍵盤和CPU鍵盤控制器，基于PS/2鍵盤協(xié)議，完成矩陣鍵盤、外接PS/2鍵盤的管理控制，實現(xiàn)兩種鍵盤的同時輸入和外接PS/2鍵盤即插即用。同時雙鍵盤采集模塊還集成PWM輸出和EEPROM記憶功能，脫離CPU控制，獨立完成顯示屏亮度控制和亮度記憶功能。

1 PS/2鍵盤協(xié)議

PS/2鍵盤協(xié)議是PS/2鍵盤與CPU鍵盤控制器(以下簡稱HOST)之間履行的一種同步雙向串行協(xié)議。硬件接口為集電極開路的CLK、DATA，5VDC電源和電源地。由PS/2鍵盤產(chǎn)生12.5 kHz的同步時鐘，接收或發(fā)送DATA信號。通信格式為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶校驗位和1位停止位。

PS/2鍵盤向HOST發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先檢查CLK信號電平狀態(tài)。當(dāng)CLK為低電平時，PS/2鍵盤將當(dāng)前準(zhǔn)備發(fā)送的掃描碼壓入緩沖區(qū)內(nèi)，轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)。當(dāng)CLK為高電平時，PS/2產(chǎn)生同步時鐘，按照圖1所示向HOST發(fā)送數(shù)據(jù)包。CLK時鐘周期為80μs，DATA在時鐘下降沿被HOST讀取，采用奇校驗。每發(fā)送完一位數(shù)據(jù)，PS/2檢測CLK是否被拉低。如果為低，放棄此次發(fā)送，轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)。

圖1 PS/2向HOST發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式

HOST上電啟動或重啟時向PS/2鍵盤發(fā)送鍵盤指令，并在20 ms內(nèi)等待鍵盤回復(fù)響應(yīng)。通過此方式，HOST可快速檢測出是否接有PS/2鍵盤。當(dāng)PS/2回復(fù)FC或者不響應(yīng)時，CPU禁用PS/2鍵盤接口。除一般命令指令外，鍵盤指令還包括參數(shù)設(shè)置指令。其中F3機(jī)打速率和延遲指令直接影響PS/2鍵盤輸入狀態(tài)，而不同系列的CPU對機(jī)打速率和延遲設(shè)置有所不同。如果PS/2鍵盤不按設(shè)置要求運(yùn)行，將導(dǎo)致鍵盤接口出現(xiàn)通信故障，或在WINDOWS運(yùn)行過程提示鍵盤粘連等非正常信息。HOST發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示。

圖2 HOST向PS/2發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式

HOST向PS/2鍵盤發(fā)送指令時，拉低CLK信號100μs抑制通信。PS/2輸出CLK響應(yīng)后，HOST在CLK低電平時設(shè)置數(shù)據(jù)位，PS/2在CLK上升沿鎖定DATA信號并采集。傳輸完成后，由PS/2發(fā)送1個ACK應(yīng)答位。從HOST拉低CLK信號到PS/2產(chǎn)生同步時鐘不超過15 ms(a區(qū)段)。從PS/2產(chǎn)生同步時鐘到HOST輸出停止位，傳輸周期不超過2 ms(b區(qū)段)。

2 模塊設(shè)計原理

雙鍵盤采集模塊由數(shù)字處理電路(以下簡稱MCU)、矩陣鍵盤掃描電路、模擬開關(guān)切換電路、PWM驅(qū)動電路、RS232/RS422驅(qū)動電路、各輸入輸出接口、隔離電源等組成，原理框圖如圖3所示。

圖3 雙鍵盤采集模塊原理框圖

矩陣鍵盤信號采集后，由MCU輸出DATA和CLK信號與HOST通信。外接PS/2鍵盤不直接與MCU的DATA和CLK并聯(lián)，而是分成兩路分別與MCU I/O和模擬開關(guān)連接。通過MCU分時切換模塊開關(guān)，形成與HOST的通信鏈路。因此，當(dāng)兩種鍵盤同時輸入時，外接PS/2鍵盤信號首先輸入到MCU，MCU通過虛擬HOST的運(yùn)行方式，判定PS/2鍵盤的輸入狀態(tài)，再切換模擬開關(guān)，使PS/2鍵盤與HOST通信。同時MCU繼續(xù)采集矩陣鍵盤信號，并將掃描碼存儲到緩沖區(qū)內(nèi)，待PS/2鍵盤通信完成后，再以虛擬PS/2鍵盤方式將掃描碼發(fā)送HOST，避免兩種鍵盤同時輸入形成硬件電路和通信協(xié)議上的沖突。

單純的PS/2鍵盤在WINDOWS系統(tǒng)下不具備即插即用功能，而雙鍵盤采集模塊可以起到橋梁作用，使PS/2鍵盤在任意時刻都具備即插即用功能。在CPU BIOS自檢時，MCU作為虛擬的PS/2鍵盤，及時響應(yīng)HOST發(fā)送的鍵盤指令。CPU通過識別虛擬的PS/2鍵盤，開放PS/2鍵盤接口，分配系統(tǒng)資源，響應(yīng)鍵盤輸入。在滿足硬件識別的前提下，雙鍵盤采集模塊通過虛擬HOST指令，管理、控制外接PS/2鍵盤，完成PS/2鍵盤上電識別和即插即用參數(shù)設(shè)置。

雙鍵盤采集模塊集成PWM輸出電路和內(nèi)置EEPROM，實現(xiàn)顯示屏獨立的亮度控制。當(dāng)矩陣鍵盤輸入亮度按鍵時，MCU根據(jù)EEPROM記憶的亮度等級，改變亮度參數(shù)，重設(shè)PWM定時器初值，調(diào)整PWM輸出占空比。顯示屏背光電路接口檢測到PWM波形變化后，調(diào)整顯示屏亮度。同時由于EEPROM記憶功能，顯控終端關(guān)機(jī)重啟后，MCU依然輸出相同的PWM波形，實現(xiàn)顯示屏亮度的記憶功能。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 數(shù)字處理電路

數(shù)字處理電路(MCU)用于掃描矩陣鍵盤，虛擬PS/2鍵盤響應(yīng)HOST指令，虛擬HOST完成外接PS/2鍵盤即插即用設(shè)置，控制I/O輸出PWM波形等。數(shù)字處理電路由STC90C52RC單片機(jī)、晶振電路，復(fù)位電路等組成，與RS422/ RS232驅(qū)動電路一起組成單片機(jī)基本控制單元，如圖4所示。

圖4 單片機(jī)基本控制單元原理

STC90C52RC單片機(jī)采用兼容80C51的增強(qiáng)型內(nèi)核，片內(nèi)集成FLASH、SRAM、定時/計數(shù)器、UART串口、I/O、EEPROM、看門狗等功能模塊，是一個集成度較高的片上系統(tǒng)。

3.2 RS422/RS232驅(qū)動電路

RS422/RS232驅(qū)動電路用于程序下載和鍵盤掃描碼遠(yuǎn)程輸出，由ADM3251ERS232收發(fā)器、ADM2582ERS422收發(fā)器及旁路電路組成。與傳統(tǒng)RS232/RS422收發(fā)器不同，ADM3251E和ADM2582E內(nèi)部集成隔離電源，依靠芯片自身實現(xiàn)信號隔離，集成度較高。

3.3 矩陣鍵盤掃描電路

矩陣鍵盤掃描電路用于矩陣鍵盤掃描信號輸出與接收，與矩陣鍵盤電路一起組成鍵盤掃描回路。掃描時，P1端口輸出低電平信號。當(dāng)矩陣鍵盤按下時，接通掃描回路。MCU采樣P0端口信號變化，通過行列判斷，確認(rèn)掃描碼。鍵盤掃描回路如圖5所示。

圖5 矩陣鍵盤掃描回路原理

3.4 模擬開關(guān)切換電路

模擬開關(guān)切換電路用于切換MCU與HOST、外接PS/2鍵盤與HOST之間的PS/2通信鏈路，由兩片MAX4624芯片組成，如圖6所示。MCU_DATA、MCU_CLK通過10 kΩ電阻上拉到P2端口，KB_DATA、KB_CLK同時連接外接PS/2鍵盤接口和MCU P2端口。MCU輸出SWITCH控制信號同步切換CLK和DATA信號，分時連接CPU鍵盤控制器HOST_ DATA和HOST_CLK信號。圖6中省略外接PS/2鍵盤接口ESD保護(hù)電路。

圖6 模擬開關(guān)切換電路原理

3.5 PWM驅(qū)動電路

PWM驅(qū)動電路用于隔離輸出200 Hz的PWM波形，為顯示屏背光電路提供信號源。PWM驅(qū)動電路由IL711－3、SN74HC244、隔離電源等組成。IL711－3數(shù)字磁隔離器將MCU輸出的PWM波形隔離。相比光耦隔離器，IL711－3傳輸延遲短，響應(yīng)更快，可靠性更高。

4 程序設(shè)計

雙鍵盤采集模塊具有單矩陣和雙鍵盤兩種運(yùn)行模式，其核心為PS/2鍵盤通信協(xié)議。MCU通過程序流程，將雙鍵盤采集模塊虛擬成PS/2鍵盤和CPU鍵盤控制器，實現(xiàn)MCU向上與HOST PS/2通信，向下管理控制外接PS/2鍵盤。系統(tǒng)上電后默認(rèn)運(yùn)行單矩陣模式。

單矩陣模式下，MCU保持與HOST通信狀態(tài)，時刻虛擬成標(biāo)準(zhǔn)的PS/2鍵盤，按照CPU啟動順序，依次響應(yīng)HOST鍵盤指令，完成CPU對PS/2鍵盤接口硬件識別，使雙鍵盤采集模塊具備鍵盤輸入功能。此過程中，MCU監(jiān)測矩陣鍵盤和PS/2鍵盤接口。當(dāng)掃描到矩陣按鍵時，MCU將鍵盤掃描碼存入緩沖區(qū)內(nèi)，等待發(fā)送時機(jī)。MCU在回復(fù)完所有HOST指令后，從緩沖區(qū)取出掃描碼，通過掃描碼通斷碼轉(zhuǎn)換發(fā)送給HOST，實現(xiàn)矩陣鍵盤按鍵輸入。當(dāng)外接PS/2鍵盤插入鍵盤接口時，MCU虛擬成HOST，解析PS/2鍵盤上電指令。在確認(rèn)PS/2正常運(yùn)行后，MCU切換到雙鍵盤模式。

雙鍵盤模式下，MCU優(yōu)先接收和回復(fù)HOST指令。當(dāng)接收到F3指令后，MCU即時保存參數(shù)，并虛擬HOST運(yùn)行方式，向PS/2鍵盤轉(zhuǎn)發(fā)F3參數(shù)，完成外接PS/2鍵盤參數(shù)設(shè)置。此過程中為避免PS/2鍵盤回復(fù)鍵盤指令，擾亂HOST正常發(fā)送順序，MCU不切換模擬開關(guān)，保持MCU與HOST通信狀態(tài)。在完成參數(shù)設(shè)置和無新的F3指令情況下，MCU監(jiān)測PS/2鍵盤輸入狀態(tài)。當(dāng)PS/2鍵盤處于發(fā)送起始狀態(tài)時，MCU切換模擬開關(guān)，使PS/2鍵盤與HOST通信，并在100 ms后重新檢測其通信狀態(tài)。如果此過程中矩陣鍵盤同時輸入，為避免矩陣鍵盤和PS/2鍵盤產(chǎn)生協(xié)議沖突，MCU將采集到矩陣鍵盤掃描碼存入緩沖區(qū)內(nèi)，待PS/2鍵盤完成通信后再發(fā)送給HOST。其次，如果使用過程中拔插PS/2鍵盤，MCU通過虛擬成HOST，讀取PS/2鍵盤上電指令，判斷其拔插狀態(tài)，并及時完成即插即用參數(shù)設(shè)置。當(dāng)PS/2鍵盤沒有在規(guī)定的時間內(nèi)響應(yīng)MCU指令時，MCU認(rèn)為PS/2鍵盤出現(xiàn)故障，返回單矩陣模式。

兩種模式下，MCU一旦掃描到亮度控制按鍵，將重設(shè)定時器初值，改變PWM波形占空比，刷新顯示屏亮度，并將亮度參數(shù)存儲到EEPROM。程序總體流程如圖7所示。

圖7 程序流程

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的具有亮度調(diào)節(jié)功能的雙鍵盤采集模塊，綜合PWM輸出和EEPROM記憶功能，將雙鍵盤采集和顯示屏亮度控制集成到一個模塊中。通過虛擬PS/2鍵盤和CPU鍵盤控制器，實現(xiàn)用一個PS/2鍵盤接口同時響應(yīng)兩種類型鍵盤的按鍵輸入，WINDOWS系統(tǒng)下PS/2鍵盤的即插即用，獨立的顯示屏亮度控制和記憶功能。該雙鍵盤采集模塊具有響應(yīng)速度快、集成度高、體積小，嵌入方便等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于自控設(shè)備和軍用嵌入式設(shè)備中。

［1］Prof Stephen A，Edwards.The PS/2 Keyboard And Mouse Interface［D］.Columbia University，2009.

［2］鄭采君.基于CPLD的矩陣鍵盤掃描模塊設(shè)計［J］.電子工程設(shè)計，2010(10):169－175.

［3］李小亮，董雪峰.基于FPGA的鍵盤控制計數(shù)電路的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子工程設(shè)計，2011，19(8):154－156.

［4］李勇，王玉晶.一種嵌入式PC非標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的設(shè)計［J］.微計算機(jī)信息，2007(1z):87－88.

(責(zé)任編輯周江川)

Design of Double Keyboard Acquisition M odule w ith Brightness Adjustment Function

YAO Yi，LEILing－yi
(Southwest Automation Research Institute，Mianyang 621000，China)

We designed a double keyboard acquisition module with brightness adjustment and brightness memory functions for a certain type of display and control terminal.Themodule synthesized PWM output and EEPROM memory function to integrate double keyboard acquisition and display brightness control into onemodule.Through the virtual PS/2 keyboard and CPU keyboard controller，we could achieve three goals:first，to respond two types of input keyboard through one PS/2 keyboard interface at the same time; second，to allow for plug and play of the PS/2 keyboard under theWINDOWSsystem;third，independent screen brightness control and brightnessmemory function.

double keyboard;plus and play;PS/2 keyboard protocol;PWM

:A

1006－0707(2014)07－0096－04

format:YAO Yi，LEI Ling－yi.Design of Double Keyboard Acquisition Module with Brightness Adjustment Function［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):96－99.

本文引用格式:姚毅，雷凌毅.一種具有亮度調(diào)節(jié)功能的雙鍵盤采集模塊設(shè)計［J］.四川兵工學(xué)報，2014(7):96－99.

10.11809/scbgxb2014.07.027

2014－04－21

姚毅(1981—)，男，工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與控制研究。

TP399