摘要： 介绍pc键盘和键盘接口的ps/2通信协议，以及用89c51实现可锁定键盘的软件和硬件设计方法。具有安全可靠、容错能力强、可以直接采用标准键盘进行改装、便于实现等优点，并保留标准键盘的全部功能。
关键词： ps/2 89c51 c51 键盘
引 言
在智能仪器、自动控制等领域，已大量使用嵌入式pc，如advantech公司的pc/104、amd公司的dimm-pc等。为适应开放式、模块化的要求，嵌入式pc具有标准的pc接口，如vga显示器控制接口、以太网接口、rs232接口、pc/at键盘接口等。所以，可以用标准的pc键盘对嵌入式pc进行操作与控制。键盘在输入指令之后，可能很长一段时间不用。为计算机安全和防止误触发，需要将键盘锁定，还要对某些键采取屏蔽措施，但是pc标准键盘不能满足这些要求。本文介绍一种用89c51设计实现的可锁定加密pc/at键盘。
1 键盘功能及工作原理
pc键盘功能主要有按键识别、去抖、重键处理、发送扫描码、自动重发、接收键盘命令、处理命令等。键盘有编码键盘和非编码键盘。编码键盘程序设计简单，但硬件电路复杂，价格较高；非编码键盘用软件来实现识别键、编码转换、去抖等功能，硬件电路简单，价格便宜。现代微机系统中广泛采用非编码键盘。pc键盘多采用18行×8列的二维矩阵行列结构。采用行扫描法识别按下的按键。
2 ps/2协议
ps/2协议是外设与主机之间通信的一种同步双向串行协议。在该协议中主机拥有较高的优先级，在一定条件下可以终止外设正在进行的发送过程。ps/2协议采用的传送数据帧的格式为：1位起始位（0）、8位数据位、1位奇偶校验位、1位停止位（1）。数据发送时低位在前，高位在后。外设每收到主机发来的1帧数据，都要紧随该帧的停止位发送一个握手位ack（0）应答主机。然后，外设还要发1帧应答数据（0xf0），表示外设已经完整地接收到了主机的命令；而主机则不需发送握手位，也不需要发送应答帧。
2.1 键盘到pc键盘接口的通信
当时钟线和数据线均为高电平时，允许键盘发送数据，系统将接收数据；当时钟线被拉为低电平时，表明系统禁止数据传输。图1给出了发送时序，包含1个低电平触发的起始位、8位数据位、1个奇校验位和1个高电平的结束位。
2.2 pc系统到键盘的通信协议
若时钟线出现高电平，数据线出现低电平，表明系统请求发送，键盘准备产生同步时钟脉冲串，并接收数据。包含了1个低电平触发的起始位、8位数据位、1个奇校验位、1个应答位、1个高电平的结束位。图2为时序图。
(1)键盘命令及执行过程
① ffh：复位键盘。系统通过此软件复位命令使键盘进入程序复位和内部自测试，称为基本保证测试（bat）。复位键盘的过程如下：
a. 键盘收到ffh后立即回送ack（fah）作答；
b. 键盘接口收到ack后，将键盘时钟和数据线置为高电平；
c. 键盘检测到此状态后开始bat操作；
d. 如果bat正确完成，键盘发送aah以表示结束，
否则以fdh（或其它任何值）表示诊断有误。
② feh：重新发送。当系统检测到从键盘送来的任何传输错误时，它便向键盘发送feh命令。键盘接收到此命令后，将重新送出原来的内容。
③ fdh~f7h：空操作（保留未用）。
④ f6h：设置缺省值。此命令使键盘所有条件复位到电源接通时的缺省状态，键盘继续扫描。
⑤ f5h：设置缺省值和停止键盘。此命令使键盘所有条件复位到电源接通时的缺省状态，并停止键盘扫描，等待下一个键盘命令。
⑥ f4h：启动键盘。键盘接收到此命令后，用ack（fah）作答，清除输出缓冲器，并启动键盘开始扫描。
⑦ f3h：设置拍发速率和延时参数。每当按下任一键时，键盘以拍发速率连续送出键的接通码，直到键被释放为止。延时参数是指按下一键后，键盘输出的响应时间。
系统缺省设置：拍发速率=10个/s±20%，延时=500ms±20%。
当要改变设置时可以使用f3h命令，并后跟一个字节的参数。参数定义如表1所列。
表1
计算拍发速率和响应延时的公式如下：
拍发速率=1/[（8 a）×2b×0.00417] （1/s）
响应延时=（1 c）×250 （ms）
注：缺省的延时参数值为2ch。
此命令的执行过程如下：
a. 键盘收到f3h命令后，用fah予以响应，并停止
扫描和等待随后的参数；
b. 键盘若收到随后的设置参数，用另一个ack响
应，并按其参数设置新的拍发速率和响应延时，
之后重新开始扫描（若键盘原来是开放的）；
c. 键盘若收到fah命令，但无随后的设置参数，则
键盘结束命令设置，并保持原来的拍发速率和响
应延时，停止扫描。
⑧f2h，f1，efh：保留未用。
⑨f0h：设置键盘扫描码命令。此命令用于设置键盘的扫描码，后跟参数指定三种扫描码的哪一种。键盘复位时，默认扫描码是第二种。
⑩eeh：回送命令。此命令用于辅助诊断，要求键盘接收到eeh时也要回送eeh予以响应。若键盘原来是开放的，则继续扫描。
edh：置位/复位LED指示器。键盘右上角有三个led指示器，分别反映caps、num和scroll三个键的锁定情况。参数字节如表2所列。
表2
此命令执行过程与f3h相似。若命令后跟参数，则按参数设定led状态并继续扫描。若仅有命令无参数，则不改变led原状态，并停止扫描。
(2)键盘响应
键盘在下列四种情况下都会向键盘接口发送数据。
① 按下任一键，键盘以拍发速率向接口发送键盘接通扫描码。
② 释放所按下的键，键盘发送断开扫描码。
③ 系统向键盘发送键盘命令后，键盘回送应答。
④ 当用户按键速度超出键盘所能容纳的最大键个数时，键盘做出响应。
后三种情况称为键盘响应。响应字节有7个，定义如下。
① feh：重新发送响应。当键盘收到一个无效的键盘命令，或者检测到奇偶错的键盘命令时，键盘回送响应字节为feh，要求系统重发键盘命令。
② fah：正常应答。对任何一个有效的键盘命令，键盘回送fah予以响应。
③ 00h：超限应答。当用户按键速度超出键盘所能容纳的最大键符个数时（16个字节的缓冲器），键盘发送00h。
④ fdh：诊断故障应答。键盘接受软件复位命令，执行自测试过程中。若检测到故障，则以fdh应答。此时，键盘停止扫描并等待下一个键盘命令。
⑤ aah：诊断正常应答。键盘在软件复位过程中，正常完成bat测试，以aah应答。
⑥ feh：回响命令的应答，对键盘feh命令的应答。
⑦ f0h：断开扫描码前缀，键盘对键符按下后释放的应答，第一个字节为f0h，第二个字节为接通扫描码（有几个键例外）。
3 硬件设计
pc系列键盘采用18行×8列的矩阵行列结构。89c51 单片机 有4个8位i/o端口，因此可以采用p0、p2口再加上p3口的2个（p3.6和p3.7）作为行扫描线。p1口作为列输入线（如果用p0口作列输入线，必须加上拉电阻）。采用p3.0、p3.1作为数据线和时钟线与pc系统进行通信，用p3.2、p3.4、p3.5控制键盘上的3个指示灯。硬件原理如图3所示。
