1、引言

隨著計算機工業(yè)的發(fā)展，作為計算機最常用輸入設備的鍵盤也日新月異。1981年IBM推出了IBM pc/XT鍵盤及其接口標準。該標準定義了83鍵，采用5腳DIN連接器和簡單的串行協(xié)議。實際上，第一套鍵盤掃描碼集并沒有主機到鍵盤的命令。為此，1984年IBM推出了IBM AT鍵盤接口標準。該標準定義了84~101鍵，采用5腳DIN連接器和雙向串行通訊協(xié)議，此協(xié)議依照第二套鍵盤掃描碼集設有8個主機到鍵盤的命令。到了1987年，IBM又推出了PS/2鍵盤接口標準。該標準仍舊定義了84~101鍵，但是采用6腳mini-DIN連接器，該連接器在封裝上更小巧，仍然用雙向串行通訊協(xié)議并且提供有可選擇的第三套鍵盤掃描碼集，同時支持17個主機到鍵盤的命令?，F(xiàn)在，市面上的鍵盤都和PS/2及AT鍵盤兼容，只是功能不同而已。

2、PS/2接口硬件

2.1 物理連接器

一般，具有五腳連接器的鍵盤稱之為AT鍵盤，而具有六腳mini-DIN連接器的鍵盤則稱之為PS/2鍵盤。其實這兩種連接器都只有四個腳有意義。它們分別是Clock（時鐘腳）、DATA（數(shù)據(jù)腳）、+5V（電源腳）和Ground（電源地）。在PS/2鍵盤與pc機的物理連接上只要保證這四根線一一對應就可以了。PS/2鍵盤靠pc的PS/2端口提供+5V電源，另外兩個腳Clock（時鐘腳）和DATA（數(shù)據(jù)腳）都是集電極開路的，所以必須接大阻值的上拉電阻。它們平時保持高電平，有輸出時才被拉到低電平，之后自動上浮到高電平?，F(xiàn)在比較常用的連接器如圖1所示。

2.2 電氣特性

PS/2 通訊協(xié)議是一種雙向同步串行通訊協(xié)議。通訊的兩端通過Clock（時鐘腳）同步，并通過DATA（數(shù)據(jù)腳）交換數(shù)據(jù)。任何一方如果想抑制另外一方通訊時，只需要把Clock（時鐘腳）拉到低電平。如果是pc機和PS/2鍵盤間的通訊，則pc機必須做主機，也就是說，pc機可以抑制PS/2鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)，而 PS/2鍵盤則不會抑制pc機發(fā)送數(shù)據(jù)。一般兩設備間傳輸數(shù)據(jù)的最大時鐘頻率是33kHz，大多數(shù)PS/2設備工作在10~20kHz。推薦值在 15kHz左右，也就是說，Clock（時鐘腳）高、低電平的持續(xù)時間都為40μs。每一數(shù)據(jù)幀包含11~12個位，具體含義如表1所列。

表中，如果數(shù)據(jù)位中1的個數(shù)為偶數(shù)，校驗位就為1；如果數(shù)據(jù)位中1的個數(shù)為奇數(shù)，校驗位就為0；總之，數(shù)據(jù)位中1的個數(shù)加上校驗位中1的個數(shù)總為奇數(shù)，因此總進行奇校驗。

2.3 PS/2設備和pc機的通訊

PS/2 設備的Clock（時鐘腳）和DATA（數(shù)據(jù)腳）　都是集電極開路的，平時都是高電平。當PS/2設備等待發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先檢查Clock（時鐘腳）以確認其是否為高電平。如果是低電平，則認為是pc機抑制了通訊，此時它必須緩沖需要發(fā)送的數(shù)據(jù)直到重新獲得總線的控制權（一般PS/2鍵盤有16個字節(jié)的緩沖區(qū)，而PS/2鼠標只有一個緩沖區(qū)僅存儲最后一個要發(fā)送的數(shù)據(jù)）。如果Clock（時鐘腳）為高電平，PS/2設備便開始將數(shù)據(jù)發(fā)送到pc機。一般都是由PS/2設備產(chǎn)生時鐘信號。發(fā)送時一般都是按照數(shù)據(jù)幀格式順序發(fā)送。其中數(shù)據(jù)位在Clock（時鐘腳）為高電平時準備好，在Clock（時鐘腳）的下降沿被pc機讀入。PS/2設備到pc機的通訊時序如圖2所示。

當時鐘頻率為15kHz時，從Clock（時鐘腳）的上升沿到數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)變時間至少要5μｓ。數(shù)據(jù)變化到Clock（時鐘腳）下降沿的時間至少也有5 μｓ，但不能大于25 μｓ，這是由PS/2通訊協(xié)議的時序規(guī)定的。如果時鐘頻率是其它值，參數(shù)的內(nèi)容應稍作調(diào)整。

上述討論中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是指對特定鍵盤的編碼或者對特定命令的編碼。一般采用第二套掃描碼集所規(guī)定的碼值來編碼。其中鍵盤碼分為通碼（make）和斷碼 （Break）。通碼是按鍵接通時所發(fā)送的編碼，用兩位十六進制數(shù)來表示，斷碼通常是按鍵斷開時所發(fā)送的編碼，用四位十六進制數(shù)來表示。

3、 PS/2接口的嵌入式軟件編程方法

PS/2設備主要用于產(chǎn)生同步時鐘信號和讀寫數(shù)據(jù)。

3．1 PS/2向pc機發(fā)送一個字節(jié)

從PS/2向pc機發(fā)送一個字節(jié)可按照下面的步驟進行：

（1）檢測時鐘線電平，如果時鐘線為低，則延時50μｓ；

（2）檢測判斷時鐘信號是否為高，為高，則向下執(zhí)行，為低，則轉(zhuǎn)到（1）；

（3）檢測數(shù)據(jù)線是否為高，如果為高則繼續(xù)執(zhí)行，如果為低，則放棄發(fā)送（此時pc機在向PS/2設備發(fā)送數(shù)據(jù)，所以PS/2設備要轉(zhuǎn)移到接收程序處接收數(shù)據(jù)）；

（４）延時20μｓ（如果此時正在發(fā)送起始位，則應延時４0μｓ）；

（5）輸出起始位（0）到數(shù)據(jù)線上。這里要注意的是：在送出每一位后都要檢測時鐘線，以確保pc機沒有抑制PS/2設備，如果有則中止發(fā)送；

（６）輸出8個數(shù)據(jù)位到數(shù)據(jù)線上；

（７）輸出校驗位；

（8）輸出停止位（1）；

（９）延時30μｓ（如果在發(fā)送停止位時釋放時鐘信號則應延時50μｓ）；

通過以下步驟可發(fā)送單個位：

（1）準備數(shù)據(jù)位（將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)位放到數(shù)據(jù)線上）；

（2）延時20μｓ；

（3）把時鐘線拉低；

（４）延時４0μｓ；

（5）釋放時鐘線；

（６）延時20μｓ。

3．2 PS/2設備從pc機接收一個字節(jié)

由于PS/2設備能提供串行同步時鐘，因此，如果pc機發(fā)送數(shù)據(jù)，則pc機要先把時鐘線和數(shù)據(jù)線置為請求發(fā)送的狀態(tài)。pc機通過下拉時鐘線大于100μｓ來抑制通訊，并且通過下拉數(shù)據(jù)線發(fā)出請求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號，然后釋放時鐘。當PS/2設備檢測到需要接收的數(shù)據(jù)時，它會產(chǎn)生時鐘信號并記錄下面8個數(shù)據(jù)位和一個停止位。主機此時在時鐘線變?yōu)榈蜁r準備數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線，并在時鐘上升沿鎖存數(shù)據(jù)。而PS/2設備則要配合pc機才能讀到準確的數(shù)據(jù)。具體連接步驟如下：

（1）等待時鐘線為高電平。

（2）判斷數(shù)據(jù)線是否為低，為高則錯誤退出，否則繼續(xù)執(zhí)行。

（3）讀地址線上的數(shù)據(jù)內(nèi)容，共8個bit，每讀完一個位，都應檢測時鐘線是否被pc機拉低，如果被拉低則要中止接收。

（４）讀地址線上的校驗位內(nèi)容，1個bit。

（5）讀停止位。

（６）如果數(shù)據(jù)線上為0（即還是低電平），PS/2設備繼續(xù)產(chǎn)生時鐘，直到接收到1且產(chǎn)生出錯信號為止（因為停止位是1，如果PS/2設備沒有讀到停止位，則表明此次傳輸出錯）。

（７ 輸出應答位。

（8） 檢測奇偶校驗位，如果校驗失敗，則產(chǎn)生錯誤信號以表明此次傳輸出現(xiàn)錯誤。

（９）延時４5 μｓ，以便pc機進行下一次傳輸。

讀數(shù)據(jù)線的步驟如下：

（1）延時20μｓ；

（2）把時鐘線拉低

（3）延時４0μｓ

（４）釋放時鐘線

（5）延時20μｓ

（６）讀數(shù)據(jù)線。

下面的步驟可用于發(fā)出應答位；

（1）延時15μｓ；

（2）把數(shù)據(jù)線拉低；

（3）延時5μｓ；

（４）把時鐘線拉低；

（5）延時４0μｓ；

（６）釋放時鐘線；

（７）延時5μｓ；

（8）釋放數(shù)據(jù)線。

４、用于工控機的雙鍵盤設計

工控機通常要接標準鍵盤，但是為了方便操作，常常需要外接一個專用鍵盤。此實例介紹了在工控pc機到PS/2總線上再接入一個自制專用鍵盤的應用方法。

該設計應能保證兩個鍵盤單獨工作，而且相互不能影響。因此，不能直接把專用鍵盤和標準鍵盤一起接到工控pc的PS/2口。鑒于這種情況，本設計使用模擬開關ＣＤ４052并通過時分復用工控pc的PS/2口，來使在同一個時刻只有一個鍵盤有效，從而解決上述問題。其硬件原理圖如圖3所示。其中Ｐ2口和Ｐ1口用于鍵盤掃描電路（圖中未畫出），p0．0為數(shù)據(jù)端，p0．1為時鐘端，p0．2為模擬開關選通端。由于專用鍵盤不需要接收工控pc機的命令，所以軟件中并不需要寫這部分相應的代碼。

通過軟件可在專用鍵盤復位后把p0．2清0，以使模擬開關ＣＤ４052打開相應的通道。這時工控pc的標準鍵盤將開始工作。標準鍵盤可以完成工控pc剛啟動時對外設檢測的應答。復位后的專用鍵盤不停地掃描有沒有按鍵，如果有鍵按下則識別按鍵，并且按照預先的設計進行編碼，同時調(diào)用發(fā)送程序并通過PS/2口發(fā)送到工控pc。此時模擬開關關閉相應通道（將p0．2置1），專用鍵盤接入工控pc PS/2口的時鐘線和數(shù)據(jù)線而工作，但標準鍵盤被模擬開關從PS/2的時鐘線和數(shù)據(jù)線中斷而不工作，這樣，雙鍵盤便可時分復用同一個工控pc機的PS/2 口。相應的發(fā)送子程序如下：

#define DATA p00 用p0．0做數(shù)據(jù)線

#define CLK p01 用p0．1做時鐘線

#define INHIbit p02 用p0．2做ＣＤ４052的INH端

#define PORTR p1 用P1口做讀入口

#define PORTW p2 用P2口做寫出口 可以實現(xiàn)６４個自定義鍵

void send（uCHAR x） /* functiON for send a CHAR data*/

{

uCHAR i，TEMP，CHAR_TEMP;

bit flag_check =1;

INHIBIT =1; //disable STANDARD KEYBOARD

delay_ms（3）;

TEMP = x;

for（ i=0; i《8; i++） //find the NUMBER of 1 in this uCHAR x is odd or not

{

CHAR_TEMP = TEMP & 0x01;

if（CHAR_TEMP == 0x01）

{

flag_check =！flag_check;

}

TEMP = TEMP 》》1;

}

CLK =1; //send 1 to P1 then read P1

while（！CLK） //if CLK is low wait

{

;

}

CLK =1;

DATA =1; //send 1 to P1 then read P1

if（CLK ==1）

{

delay_us（30）;

}

if（CLK==1 && DATA==1） //send data

{

DATA =0; //start bit 0

delay_us（10）;

CLK =0;

delay_us（5）;

TEMP =x;

for（i=0;i《8;i++） //send 8 bits LSB first

{

CLK =1;

delay_us（5）;

CHAR_TEMP = TEMP & 0x01;

if （ CHAR_TEMP == 0x01）

{

DATA =1;

}

ELSE

{

DATA =0;

}

//DATA=（bit）（TEMP&0x01）;

//LSB

delay_us（10）;

CLK = 0;

delay_us（5）;

TEMP = TEMP》》1;

}

CLK = 1; //send check bit

delay_us（5）;

DATA = flag_check;

delay_us（10）;

CLK = 0;

delay_us（5）;

CLK =1; //send stop bit

delay_us（5）;

DATA =1;

dalay_us（10）;

CLK = 0;

delay_us（5）;

CLK =1;

delay_us（30）;

CLK =1;

DATA =1 ; //send 1 to P1 then read P1

if（CLK ==1 && DATA == 0）

{

return ; //pc is sending data to mcu，goto

//receiving function

}

INHIBIT = 0; //enable STANDARD KEYBOARD

}

5、結論

PS/2 接口協(xié)議是現(xiàn)在大多數(shù)鍵盤、鼠標與pc機通訊的標準協(xié)議。其中鼠標對pc機的通訊更為簡單，只是傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容不一樣而已。充分理解PS/2接口協(xié)議，可以幫助設計者自主開發(fā)一些工控機上的專用鍵盤等外設，并能夠按照用戶的要求開發(fā)出專用的多功能鍵盤。該工控機的雙鍵盤設計目前已被某工控公司所采納，并已作為組件加入到產(chǎn)品當中。

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