简述研制小型一体化专用键盘的方法

0 引 言

　　AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

　　在一些自动化测量或智能设备中，微机作为控制中枢，对多个功能单元进行控制与管理，以实现仪器设备的系统功能。键盘是人机通信的基本设备，操作者通过它完成对设备的操控。因此需要研制小型一体化专用键盘。

　　采用小型一体化专用键盘不但可完成按键的功能，而且要求根据仪器外形进行一体化优化设计，使产品外型美观、布局合理。小型一体化专用键盘不仅适用于一般的仪器控制系统，而且可以用于军工加固计算机系统中。军工产品中的微机多为加固PC类计算机，其采用PC机通用键盘。本文以PC机通用键盘为例，阐述研制小型一体化专用键盘的方法。
1 设计原理
　　PC机通用键盘通过“PS／2”5芯电缆与主机相连。该5芯电缆是键盘与主机之间信息与数据传输的路径，定义如下：1端，RESET；2端，+5 V；3端，CLOCK；4端，地；5端，按键波形。其中1、2、4端的信号由主机内部确定；3端为时钟信号CLOCK；5端为按键波形，此波形随按下按键的不同而变化。

　　采用本文介绍的单片机控制系统和软件编程的方法，可以准确模拟按键波形，使小型专用键盘的按键波形与PC机通用键盘对应按键波形一致。当操作者按下某键时，单片机控制系统产生相应的CLOCK波形与按键波形送给主机，实现按键功能。这样就完成了小型专用键盘的设计。

2 硬件电路及软件
2．1 单片机控制电路
　　采用单片机系统实现小型专用键盘的硬件电路，如图1所示，设计完成的小型专用键盘的按键有18枚，排成6行×3列的矩阵。系统要判断某一按键是否按下，可以利用软件逐一查询6行×3列矩阵中的按键，然后输出相应的按键模拟波形，从而实现按键功能。 

2．2 举 例
　　下面以按键“8”为例，说明如何从PC机通用键盘中“取出”所需按键，并保持各按键功能，形成小型专用键盘。首先用示波器测出在PC机通用键盘上按下“8”键时，5芯键盘通信电缆的3端和5端的波形。按键“8”的波形测量波形如图2所示。 

　　示波器通道1指示信号电缆3端的CLOCK波形，通道2为电缆5端的按键“8”的波形。用单片机软件编程模拟图2所示波形。用同样的方法，可以设计出小型专用键盘上其他按键。

3 设计中要注意的问题
3．1 准确地模拟按键波形
　　每一枚按键的波形包括电缆3端的CLOCK波形与电缆5端的按键波形。各按键的CLOCK波形相同，如图2所示通道1的波形，由10个脉宽为40μs且间隔也为40μs的脉冲和1个脉宽为500 μs的脉冲形成CLOCK波形；而5端的按键波形则因按键的不同而各异。如果单片机控制电路采用12 MHz晶振，则一个机器周期为1μs，时间常数X的计算公式为：

　　（循环体字节数）×机器周期×时间常数X=延时时间

　　在上式中，循环体字节数、机器周期、延时时间都已知，则时间常数x易求得。例如，延时1 ms程序如下： 

　　利用上面公式可得到：（1+1+2）×1×X一1 000 μs则X=250μs，将其带入上面的程序段中，执行该段程序，能实现1 ms延时。

3.2按键的抖动问题

　　凡有按键操作的系统，在设计中一般都要考虑按键的去抖。由于按键的机械触点有弹性作用，在闭合及断开瞬间均有抖动过程，抖动的时间长短与开关的机械特性有关，一般为5～lO ms。为了保证按键的1次闭合仅作1次按键输入处理，就必须消除按键抖动对系统的影响。

3.3 同行多个按键同时有效的问题

　　当有按键操作，按下某一键时，可能出现该键同一行线上的其他多个按键同时有效的现象。采用屏蔽非当前列线的方法可解决这一问题：当检测有无键按下时，须对列线和行线依次扫描，当扫描至某一列线时，该列线置“O”，同时其他列线置“1”，这样就屏蔽了非当前列线，从而准确地判断出某键是否按下。

3.4 按键波形被吃掉的问题

　　有些按键的波形只有1段，如图2所示“8”键的波形；而有些按键的波形有2段或2段以上，如图3所示“十”上移键的波形。2段波形间隔1.6 μs，用单片机仿真按键波形时，可看到第1段波形形成后，其后3 ms的时间内时钟CLOCK保持低电平，导致按键第2段波形被吃掉。这样按键的第2段波形就不会被吃掉，从而保证了按键波形的完整，实现按键功能。

4 结 语

　　采用本文介绍的设计方法制作的小型一体化加固机专用键盘，已应用到产品中，其功能稳定可靠，取得了良好效果。实际工作中，可根据产品的结构特点和需要，应用该设计方法研制小型一体化专用键盘，具有推广意义。