牛偉鵬，李澤陽，魏欣瑋，郭春鋒

(山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司技術(shù)(研發(fā))中心，山西 太原030051)

在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)期，電腦成為網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，不光是用于網(wǎng)絡(luò)文娛和一般辦公，更重要的是用于信息產(chǎn)出和交流。鼠標(biāo)和鍵盤是電腦的兩大輸入設(shè)備，控制電腦的大部分操作使用。其中鍵盤的歷史甚至比計(jì)算機(jī)還要久遠(yuǎn)。

近年，隨著市場的轉(zhuǎn)變和國內(nèi)各元器件研制單位的研發(fā)水平的提高，國產(chǎn)電子元器件水平取得了長足發(fā)展，鍵盤類模塊也取得了長遠(yuǎn)的進(jìn)步。鍵盤類產(chǎn)品核心部件主要是處理器和其外圍電路，目前國外市場上鍵盤控制芯片主要以臺(tái)灣HOLTEK、美國Cypress為主，在國產(chǎn)化推進(jìn)的大環(huán)境下，國產(chǎn)化鍵盤設(shè)備也隨之提上日程。

本文主要是對(duì)該電路模塊的各個(gè)部件進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一款基于STC8H3K64U的國產(chǎn)化率100%、多功能通用鍵盤模塊。

1 系統(tǒng)方案

鍵盤通用模塊由控制模塊、控制軟件、接口組件組成，控制模塊是整個(gè)鍵盤的控制核心，主要負(fù)責(zé)按鍵掃描識(shí)別、編碼和傳輸接口工作，它將各個(gè)鍵所表示的數(shù)字或字母轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的信號(hào)，最后通過接口組件實(shí)現(xiàn)與用戶主機(jī)的通信。

鍵盤通用模塊預(yù)留16×8行列矩陣，具有Num、Caps、Scroll狀態(tài)指示燈、預(yù)留背光燈接口功能。設(shè)計(jì)有1個(gè)USB電氣接口，1個(gè)PS2電氣接口。其功能模塊框圖如圖1所示。

圖1 功能模塊框圖

1.1 控制處理模塊

控制處理模塊由單片機(jī)、靜電保護(hù)電路、接口等組成，采用嵌入式微處理器完成按鍵掃描、處理及傳輸工作，通過USB/PS2接口協(xié)議傳送數(shù)據(jù)。電路設(shè)計(jì)有靜電保護(hù)防止高壓靜電擊穿，提高整機(jī)抗靜電性能。控制模塊原理框圖如圖2所示。

圖2 控制模塊原理框圖

1.2 供電電路設(shè)計(jì)

該模塊的供電電路最主要的功能是為CPU及其元器件提供電能，保證模塊的正常工作。

供電電路設(shè)計(jì)為低壓差輸出的三端穩(wěn)壓調(diào)整電路，5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V，所有電源共地設(shè)計(jì)。供電電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 供電電路原理框圖

1.3 靜電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

該模塊的靜電保護(hù)電路設(shè)計(jì)措施是在控制處理模塊與鍵盤矩陣、接口連接端點(diǎn)處均設(shè)計(jì)有靜電保護(hù)瞬態(tài)抑制二極管。靜電保護(hù)電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 靜電保護(hù)電路原理框圖

1.4 接口設(shè)計(jì)

嵌入式ARM微處理器內(nèi)部支持USB2.0底層協(xié)議，可工作在全速和高速兩種狀態(tài)，通過差分信號(hào)線D+或D-的上拉電阻實(shí)現(xiàn)，同時(shí)設(shè)計(jì)有靜電保護(hù)電路。

1.5 抗振動(dòng)沖擊設(shè)計(jì)

強(qiáng)烈的振沖易造成印刷電路板變形，元器件松動(dòng)、接插件連接不可靠等斷路或短路，為了增強(qiáng)電路板的抗振動(dòng)、沖擊的性能，必須減小在振動(dòng)沖擊時(shí)電路板內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變，提高電路板的抗振強(qiáng)度，避免電路印制線路斷裂、焊盤脫落。為此，該模塊電路設(shè)計(jì)盡量縮小電路板的面積，對(duì)印制板中體積、質(zhì)量大的易損元件用硅膠粘接處理，達(dá)到緊固元件、緩沖應(yīng)力的目的；信號(hào)連接接插件采用具有緊固功能的航空連接器達(dá)到加固的目的。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)由單片機(jī)控制軟件和上位機(jī)人機(jī)交互軟件組成。其中單片機(jī)控制軟件首先判斷是否進(jìn)入配置模式，若進(jìn)入，則通過串口按照協(xié)議規(guī)定的格式來接收這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM，按照協(xié)議規(guī)定，協(xié)議分為起始位、數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)位(行、列、鍵值)、校驗(yàn)位、結(jié)束位，鍵值按先行后列的順序輸入；通過串口命令可設(shè)置運(yùn)行模式和配置模式，其中運(yùn)行模式的幀頭為aa 01，配置模式的幀頭為aa 02，當(dāng)串口收到aa 01，程序執(zhí)行配置模式，即開始解析串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，并更新鍵值表，當(dāng)串口收到aa 02，程序執(zhí)行運(yùn)行模式，即此時(shí)設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)的鍵盤設(shè)備。具體軟件流程圖見圖5。

圖5 軟件流程圖

該模塊所配套的上位機(jī)可自定義行列大小、自定義鍵盤的鍵值、可自主切換鍵盤接口類型。行列數(shù)和鍵盤接口類型可在界面進(jìn)行選擇，按鍵鍵值順序按先行后列的順序按下對(duì)應(yīng)的按鍵即可，最后點(diǎn)擊配置按鈕，即完成了該模塊的配置。操作界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)操作界面

3 結(jié)語

國產(chǎn)化多功能加固鍵盤模塊已在產(chǎn)品中得到應(yīng)用并驗(yàn)證其可行性，之后此模塊可擴(kuò)展應(yīng)用到所內(nèi)乃至國內(nèi)要求的國產(chǎn)化鍵盤中，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性與可靠性，為我國的國防事業(yè)建設(shè)做出貢獻(xiàn)。