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基于89C51的計算機可鎖定加密鍵盤設計
摘要：介紹PC鍵盤和鍵盤接口的PS/2通信協議，以及用89C51實現可鎖定鍵盤的軟件和硬件設計方法。具有安全可靠、容錯能力強、可以直接采用標準鍵盤進行改裝、便于實現等優點，并保留標準鍵盤的全部功能。
關鍵詞：PS/289C51C51鍵盤
引言
在智能儀器、自動控制等領域，已大量使用嵌入式PC，如Advantech公司的PC/104、AMD公司的DIMM-PC等。為適應開放式、模塊化的要求，嵌入式PC具有標準的PC接口，如VGA顯示器控制接口、以太網接口、RS232接口、PC/AT鍵盤接口等。所以，可以用標準的PC鍵盤對嵌入式PC進行操作與控制。鍵盤在輸入指令之后，可能很長一段時間不用。為計算機安全和防止誤觸發，需要將鍵盤鎖定，還要對某些鍵采取屏蔽措施，但是PC標準鍵盤不能滿足這些要求。本文介紹一種用89C51設計實現的可鎖定加密PC/AT鍵盤。
1鍵盤功能及工作原理
PC鍵盤功能主要有按鍵識別、去抖、重鍵處理、發送掃描碼、自動重發、接收鍵盤命令、處理命令等。鍵盤有編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤程序設計簡單，但硬件電路復雜，價格較高；非編碼鍵盤用軟件來實現識別鍵、編碼轉換、去抖等功能，硬件電路簡單，價格便宜。現代微機系統中廣泛采用非編碼鍵盤。PC鍵盤多采用18行×8列的二維矩陣行列結構。采用行掃描法識別按下的按鍵。
2PS/2協議
PS/2協議是外設與主機之間通信的一種同步雙向串行協議。在該協議中主機擁有較高的優先級，在一定條件下可以終止外設正在進行的發送過程。PS/2協議采用的傳送數據幀的格式為：1位起始位（0）、8位數據位、1位奇偶校驗位、1位停止位（1）。數據發送時低位在前，高位在后。外設每收到主機發來的1幀數據，都要緊隨該幀的停止位發送一個握手位ACK（0）應答主機。然后，外設還要發1幀應答數據（0xF0），表示外設已經完整地接收到了主機的命令；而主機則不需發送握手位，也不需要發送應答幀。
2.1鍵盤到PC鍵盤接口的通信
當時鐘線和數據線均為高電平時，允許鍵盤發送數據，系統將接收數據；當時鐘線被拉為低電平時，表明系統禁止數據傳輸。圖1給出了發送時序，包含1個低電平觸發的起始位、8位數據位、1個奇校驗位和1個高電平的結束位。
2.2PC系統到鍵盤的通信協議
若時鐘線出現高電平，數據線出現低電平，表明系統請求發送，鍵盤準備產生同步時鐘脈沖串，并接收數據。包含了1個低電平觸發的起始位、8位數據位、1個奇校驗位、1個應答位、1個高電平的結束位。圖2為時序圖。
(1)鍵盤命令及執行過程
①FFH：復位鍵盤。系統通過此軟件復位命令使鍵盤進入程序復位和內部自測試，稱為基本保證測試（BAT）。復位鍵盤的過程如下：
a.鍵盤收到FFH后立即回送ACK（FAH）作答；
b.鍵盤接口收到ACK后，將鍵盤時鐘和數據線置為高電平；
c.鍵盤檢測到此狀態后開始BAT操作；
d.如果BAT正確完成，鍵盤發送AAH以表示結束，
否則以FDH（或其它任何值）表示診斷有誤。
②FEH：重新發送。當系統檢測到從鍵盤送來的任何傳輸錯誤時，它便向鍵盤發送FEH命令。鍵盤接收到此命令后，將重新送出原來的內容。
③FDH~F7H：空操作（保留未用）。
④F6H：設置缺省值。此命令使鍵盤所有條件復位到電源接通時的缺省狀態，鍵盤繼續掃描。
⑤F5H：設置缺省值和停止鍵盤。此命令使鍵盤所有條件復位到電源接通時的缺省狀態，并停止鍵盤掃描，等待下一個鍵盤命令。
⑥F4H：啟動鍵盤。鍵盤接收到此命令后，用ACK（FAH）作答，清除輸出緩沖器，并啟動鍵盤開始掃描。
⑦F3H：設置拍發速率和延時參數。每當按下任一鍵時，鍵盤以拍發速率連續送出鍵的接通碼，直到鍵被釋放為止。延時參數是指按下一鍵后，鍵盤輸出的響應時間。
系統缺省設置：拍發速率=10個/s±20%，延時=500ms±20%。
當要改變設置時可以使用F3H命令，并后跟一個字節的參數。參數定義如表1所列。
表1
D7D6D5D4D3D2D1D00CBA
計算拍發速率和響應延時的公式如下：
拍發速率=1/[（8+A）×2B×0.00417]（1/s）
響應延時=（1+C）×250（ms）
注：缺省的延時參數值為2CH。
此命令的執行過程如下：
a.鍵盤收到F3H命令后，用FAH予以響應，并停止
掃描和等待隨后的參數；
b.鍵盤若收到隨后的設置參數，用另一個ACK響
應，并按其參數設置新的拍發速率和響應延時，
之后重新開始掃描（若鍵盤原來是開放的）；
c.鍵盤若收到FAH命令，但無隨后的設置參數，則
鍵盤結束命令設置，并保持原來的拍發速率和響
應延時，停止掃描。
⑧F2H，F1，EFH：保留未用。
⑨F0H：設置鍵盤掃描碼命令。此命令用于設置鍵盤的掃描碼，后跟參數指定三種掃描碼的哪一種。鍵盤復位時，默認掃描碼是第二種。
⑩EEH：回送命令。此命令用于輔助診斷，要求鍵盤接收到EEH時也要回送EEH予以響應。若鍵盤原來是開放的，則繼續掃描。
EDH：置位/復位LED指示器。鍵盤右上角有三個LED指示器，分別反映Caps、Num和Scroll三個鍵的鎖定情況。參數字節如表2所列。
表2
D7D3D2D1D0保留1=激勵CapsLED1=激勵NumLED1=激勵ScrollLED
此命令執行過程與F3H相似。若命令后跟參數，則按參數設定LED狀態并繼續掃描。若僅有命令無參數，則不改變LED原狀態，并停止掃描。
(2)鍵盤響應
鍵盤在下列四種情況下都會向鍵盤接口發送數據。
①按下任一鍵，鍵盤以拍發速率向接口發送鍵盤接通掃描碼。
②釋放所按下的鍵，鍵盤發送斷開掃描碼。
③系統向鍵盤發送鍵盤命令后，鍵盤回送應答。
④當用戶按鍵速度超出鍵盤所能容納的最大鍵個數時，鍵盤做出響應。
后三種情況稱為鍵盤響應。響應字節有7個，定義如下。
①FEH：重新發送響應。當鍵盤收到一個無效的鍵盤命令，或者檢測到奇偶錯的鍵盤命令時，鍵盤回送響應字節為FEH，要求系統重發鍵盤命令。
②FAH：正常應答。對任何一個有效的鍵盤命令，鍵盤回送FAH予以響應。
③00H：超限應答。當用戶按鍵速度超出鍵盤所能容納的最大鍵符個數時（16個字節的緩沖器），鍵盤發送00H。
④FDH：診斷故障應答。鍵盤接受軟件復位命令，執行自測試過程中。若檢測到故障，則以FDH應答。此時，鍵盤停止掃描并等待下一個鍵盤命令。
⑤AAH：診斷正常應答。鍵盤在軟件復位過程中，正常完成BAT測試，以AAH應答。
⑥FEH：回響命令的應答，對鍵盤FEH命令的應答。
⑦F0H：斷開掃描碼前綴，鍵盤對鍵符按下后釋放的應答，第一個字節為F0H，第二個字節為接通掃描碼（有幾個鍵例外）。
3硬件設計
PC系列鍵盤采用18行×8列的矩陣行列結構。89C51單片機有4個8位I/O端口，因此可以采用P0、P2口再加上P3口的2個（P3.6和P3.7）作為行掃描線。P1口作為列輸入線（如果用P0口作列輸入線，必須加上拉電阻）。采用P3.0、P3.1作為數據線和時鐘線與PC系統進行通信，用P3.2、P3.4、P3.5控制鍵盤上的3個指示燈。硬件原理如圖3所示。
鍵盤與計算機通過一個五芯（PS/2接口為六芯）插座相接，4個有效引腳的定義分別是電源（VCC）、地（GND）、串行時鐘線（SCK）、串行數據線（SIO）。
4軟件設計
①消抖及重鍵處理：通過軟件上延時程序來消除抖動；采用后按鍵優先處理，即多鍵同時按下時，只重復發送最后按下鍵的掃描碼。
②程序包括鍵盤掃描子程序、發送鍵碼子程序、發送數據子程序、接收命令子程序、定時器1中斷服務程序、主程序等。鍵盤掃描子程序用于掃描鍵狀態，將被按鍵的位置號存入緩沖器中；發送鍵碼子程序用于將緩沖區鍵的接通碼或斷開碼發送給計算機鍵盤接口或者存在鍵盤密碼緩沖區中；發送數據子程序用于將數據發給計算機鍵盤接口；接收命令子程序用于接收計算機鍵盤接口發來的鍵盤命令；定時器1中斷服務子程序用于給程序中的延時提供標準時鐘，并具有軟件看門狗功能，防止軟件出現死機現象；主程序用于系統初始化，子程序調度，鎖定狀態的顯示等。
圖6發送緩沖區鍵碼子程序流程圖
圖4~6是主要軟件模塊的流程圖。
5結論
本文介紹的PC/AT鍵盤具有結構簡單、設計靈活、安全可靠的特點，可用于標準PC和嵌入式PC。本鍵盤可以在標準的鍵盤基礎上進行改造，只需換掉原來的控制芯片即可，可節省設計成本。
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