基于89C51的計(jì)算機(jī)可鎖定加密鍵盤設(shè)計(jì)

基于89C51的計(jì)算機(jī)可鎖定加密鍵盤設(shè)計(jì)

摘要：介紹PC鍵盤和鍵盤接口的PS/2通信協(xié)議，以及用89C51實(shí)現(xiàn)可鎖定鍵盤的軟件和硬件設(shè)計(jì)方法。具有安全可靠、容錯(cuò)能力強(qiáng)、可以直接采用標(biāo)準(zhǔn)鍵盤進(jìn)行改裝、便于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，并保留標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的全部功能。

關(guān)鍵詞：PS/289C51C51鍵盤

引言

在智能儀器、自動(dòng)控制等領(lǐng)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(yīng)開(kāi)放式、模塊化的要求，嵌入式PC具有標(biāo)準(zhǔn)的PC接口，如VGA顯示器控制接口、以太網(wǎng)接口、RS232接口、PC/AT鍵盤接口等。所以，可以用標(biāo)準(zhǔn)的PC鍵盤對(duì)嵌入式PC進(jìn)行操作與控制。鍵盤在輸入指令之后，可能很長(zhǎng)一段時(shí)間不用。為計(jì)算機(jī)安全和防止誤觸發(fā)，需要將鍵盤鎖定，還要對(duì)某些鍵采取屏蔽措施，但是PC標(biāo)準(zhǔn)鍵盤不能滿足這些要求。本文介紹一種用89C51設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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(shí)別、去抖、重鍵處理、發(fā)送掃描碼、自動(dòng)重發(fā)、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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但硬件電路復(fù)雜，價(jià)格較高；非編碼鍵盤用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)識(shí)別鍵、編碼轉(zhuǎn)換、去抖等功能，硬件電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜?，F(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。采用行掃描法識(shí)別按下的按鍵。

2PS/2協(xié)議

PS/2協(xié)議是外設(shè)與主機(jī)之間通信的一種同步雙向串行協(xié)議。在該協(xié)議中主機(jī)擁有較高的優(yōu)先級(jí)，在一定條件下可以終止外設(shè)正在進(jìn)行的發(fā)送過(guò)程。PS/2協(xié)議采用的傳送數(shù)據(jù)幀的格式為：1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗(yàn)位、1位停止位。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)低位在前，高位在后。外設(shè)每收到主機(jī)發(fā)來(lái)的1幀數(shù)據(jù)，都要緊隨該幀的停止位發(fā)送一個(gè)握手位ACK應(yīng)答主機(jī)。然后，外設(shè)還要發(fā)1幀應(yīng)答數(shù)據(jù)，表示外設(shè)已經(jīng)完整地接收到了主機(jī)的命令；而主機(jī)則不需發(fā)送握手位，也不需要發(fā)送應(yīng)答幀。

鍵盤到PC鍵盤接口的通信

當(dāng)時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線均為高電平時(shí)，允許鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將接收數(shù)據(jù)；當(dāng)時(shí)鐘線被拉為低電平時(shí)，表明系統(tǒng)禁止數(shù)據(jù)傳輸。圖1給出了發(fā)送時(shí)序，包含1個(gè)低電平觸發(fā)的起始位、8位數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇校驗(yàn)位和1個(gè)高電平的結(jié)束位。

PC系統(tǒng)到鍵盤的通信協(xié)議

若時(shí)鐘線出現(xiàn)高電平，數(shù)據(jù)線出現(xiàn)低電平，表明系統(tǒng)請(qǐng)求發(fā)送，鍵盤準(zhǔn)備產(chǎn)生同步時(shí)鐘脈沖串，并接收數(shù)據(jù)。包含了1個(gè)低電平觸發(fā)的起始位、8位數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇校驗(yàn)位、1個(gè)應(yīng)答位、1個(gè)高電平的結(jié)束位。圖2為時(shí)序圖。

(1)鍵盤命令及執(zhí)行過(guò)程

①FFH：復(fù)位鍵盤。系統(tǒng)通過(guò)此軟件復(fù)位命令使鍵盤進(jìn)入程序復(fù)位和內(nèi)部自測(cè)試，稱為基本保證測(cè)試。復(fù)位鍵盤的過(guò)程

a.鍵盤收到FFH后立即回送ACK作答；

b.鍵盤接口收到ACK后，將鍵盤時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線置為高電平；

c.鍵盤檢測(cè)到此狀態(tài)后開(kāi)始BAT操作；

d.如果BAT正確完成，鍵盤發(fā)送AAH以表示結(jié)束，

否則以FDH表示診斷有誤。

②FEH：重新發(fā)送。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到從鍵盤送來(lái)的任何傳輸錯(cuò)誤時(shí)，它便向鍵盤發(fā)送FEH命令。鍵盤接收到此命令后，將重新送出原來(lái)的內(nèi)容。

③FDH~F7H：空操作。

④F6H：設(shè)置缺省值。此命令使鍵盤所有條件復(fù)位到電源接通時(shí)的缺省狀態(tài)，鍵盤繼續(xù)掃描。

⑤F5H：設(shè)置缺省值和停止鍵盤。此命令使鍵盤所有條件復(fù)位到電源接通時(shí)的缺省狀態(tài)，并停止鍵盤掃描，等待下一個(gè)鍵盤命令。

⑥F4H：?jiǎn)?dòng)鍵盤。鍵盤接收到此命令后，用ACK作答，清除輸出緩沖器，并啟動(dòng)鍵盤開(kāi)始掃描。

⑦F3H：設(shè)置拍發(fā)速率和延時(shí)參數(shù)。每當(dāng)按下任一鍵時(shí)，鍵盤以拍發(fā)速率連續(xù)送出鍵的接通碼，直到鍵被釋放為止。延時(shí)參數(shù)是指按下一鍵后，鍵盤輸出的響應(yīng)時(shí)間。

系統(tǒng)缺省設(shè)置：拍發(fā)速率=10個(gè)/s±20%，延時(shí)=500ms±20%。

當(dāng)要改變?cè)O(shè)置時(shí)可以使用F3H命令，并后跟一個(gè)字節(jié)的參數(shù)。參數(shù)定義如表1所列。

表1

D7D6D5D4D3D2D1D0

0CBA

計(jì)算拍發(fā)速率和響應(yīng)延時(shí)的公式

拍發(fā)速率=1/[×2B×]

響應(yīng)延時(shí)=×250

注：缺省的延時(shí)參數(shù)值為2CH。

此命令的執(zhí)行過(guò)程

a.鍵盤收到F3H命令后，用FAH予以響應(yīng)，并停止

掃描和等待隨后的參數(shù)；

b.鍵盤若收到隨后的設(shè)置參數(shù)，用另一個(gè)ACK響

應(yīng)，并按其參數(shù)設(shè)置新的拍發(fā)速率和響應(yīng)延時(shí)，

之后重新開(kāi)始掃描；

c.鍵盤若收到FAH命令，但無(wú)隨后的設(shè)置參數(shù)，則

鍵盤結(jié)束命令設(shè)置，并保持原來(lái)的拍發(fā)速率和響

應(yīng)延時(shí)，停止掃描。

⑧F2H，F(xiàn)1，EFH：保留未用。

⑨F0H：設(shè)置鍵盤掃描碼命令。此命令用于設(shè)置鍵盤的掃描碼，后跟參數(shù)指定三種掃描碼的哪一種。鍵盤復(fù)位時(shí)，默認(rèn)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(shí)也要回送EEH予以響應(yīng)。若鍵盤原來(lái)是開(kāi)放的，則繼續(xù)掃描。

EDH：置位/復(fù)位LED指示器。鍵盤右上角有三個(gè)LED指示器，分別反映Caps、Num和Scroll三個(gè)鍵的鎖定情況。參數(shù)字節(jié)如表2所列。

表2

D7D3D2D1D0

保留1=激勵(lì)CapsLED1=激勵(lì)NumLED1=激勵(lì)ScrollLED

此命令執(zhí)行過(guò)程與F3H相似。若命令后跟參數(shù)，則按參數(shù)設(shè)定LED狀態(tài)并繼續(xù)掃描。若僅有命令無(wú)參數(shù)，則不改變LED原狀態(tài)，并停止掃描。

(2)鍵盤響應(yīng)

鍵盤在下列四種情況下都會(huì)向鍵盤接口發(fā)送數(shù)據(jù)。

①按下任一鍵，鍵盤以拍發(fā)速率向接口發(fā)送鍵盤接通掃描碼。

②釋放所按下的鍵，鍵盤發(fā)送斷開(kāi)掃描碼。

③系統(tǒng)向鍵盤發(fā)送鍵盤命令后，鍵盤回送應(yīng)答。

④當(dāng)用戶按鍵速度超出鍵盤所能容納的最大鍵個(gè)數(shù)時(shí)，鍵盤做出響應(yīng)。

后三種情況稱為鍵盤響應(yīng)。響應(yīng)字節(jié)有7個(gè)，定義如下。

①FEH：重新發(fā)送響應(yīng)。當(dāng)鍵盤收到一個(gè)無(wú)效的鍵盤命令，或者檢測(cè)到奇偶錯(cuò)的鍵盤命令時(shí)，鍵盤回送響應(yīng)字節(jié)為FEH，要求系統(tǒng)重發(fā)鍵盤命令。

②FAH：正常應(yīng)答。對(duì)任何一個(gè)有效的鍵盤命令，鍵盤回送FAH予以響應(yīng)。

③00H：超限應(yīng)答。當(dāng)用戶按鍵速度超出鍵盤所能容納的最大鍵符個(gè)數(shù)時(shí)，鍵盤發(fā)送00H。

④FDH：診斷故障應(yīng)答。鍵盤接受軟件復(fù)位命令，執(zhí)行自測(cè)試過(guò)程中。若檢測(cè)到故障，則以FDH應(yīng)答。此時(shí)，鍵盤停止掃描并等待下一個(gè)鍵盤命令。

⑤AAH：診斷正常應(yīng)答。鍵盤在軟件復(fù)位過(guò)程中，正常完成BAT測(cè)試，以AAH應(yīng)答。

⑥FEH：回響命令的應(yīng)答，對(duì)鍵盤FEH命令的應(yīng)答。

⑦F0H：斷開(kāi)掃描碼前綴，鍵盤對(duì)鍵符按下后釋放的應(yīng)答，第一個(gè)字節(jié)為F0H，第二個(gè)字節(jié)為接通掃描碼。

3硬件設(shè)計(jì)

PC系列鍵盤采用18行×8列的矩陣行列結(jié)構(gòu)。89C51單片機(jī)有4個(gè)8位I/O端口，因此可以采用P0、P2口再加上P3口的2個(gè)作為行掃描線。P1口作為列輸入線。采用、作為數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線與PC系統(tǒng)進(jìn)行通信，用、、控制鍵盤上的3個(gè)指示燈。硬件原理如圖3所示。

鍵盤與計(jì)算機(jī)通過(guò)一個(gè)五芯插座相接，4個(gè)有效引腳的定義分別是電源、地、串行時(shí)鐘線、串行數(shù)據(jù)線。

4軟件設(shè)計(jì)

①消抖及重鍵處理：通過(guò)軟件上延時(shí)程序來(lái)消除抖動(dòng)；采用后按鍵優(yōu)先處理，即多鍵同時(shí)按下時(shí)，只重復(fù)發(fā)送最后按下鍵的掃描碼。

②程序包括鍵盤掃描子程序、發(fā)送鍵碼子程序、發(fā)送數(shù)據(jù)子程序、接收命令子程序、定時(shí)器1中斷服務(wù)程序、主程序等。鍵盤掃描子程序用于掃描鍵狀態(tài)，將被按鍵的位置號(hào)存入緩沖器中；發(fā)送鍵碼子程序用于將緩沖區(qū)鍵的接通碼或斷開(kāi)碼發(fā)送給計(jì)算機(jī)鍵盤接口或者存在鍵盤密碼緩沖區(qū)中；發(fā)送數(shù)據(jù)子程序用于將數(shù)據(jù)發(fā)給計(jì)算機(jī)鍵盤接口；接收命令子程序用于接收計(jì)算機(jī)鍵盤接口發(fā)來(lái)的鍵盤命令；定時(shí)器1中斷服務(wù)子程序用于給程序中的延時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，并具有軟件看門狗功能