基于89C51的计算机可锁定加密键盘设计

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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。
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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。
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    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，
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    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 

D7	D6  D5	D4  D3	D2  D1  D0
0	C	B	A

　　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

D7D3	D2	D1	D0
保  留	1=激励Caps LED	1=激励Num LED	1=激励Scroll LED

　　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。
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