引 言
在一些自動化測量或智能設備中，微機作為控制中樞，對多個功能單元進行控制與管理，以實現儀器設備的系統功能。鍵盤是人機通信的基本設備，操作者通過它完成對設備的操控。PC機通用鍵盤是與主機分開的獨立設備，其結構外形已經固定，需要較大的安裝空間。但在所研制的產品設備中，系統上電運行后，往往只需通用鍵盤中的少量按鍵即可完成人機通信或控制，如數字鍵O～9、→、←、↑、↓、Esc等按鍵。在這種情況下，因為結構尺寸的限制，并為了使操控方便、設備簡化等，不便采用通用鍵盤，而需使通用鍵盤小型化，并且與產品設備融為一體。因此需要研制小型一體化專用鍵盤。
采用小型一體化專用鍵盤不但可完成按鍵的功能，而且要求根據儀器外形進行一體化優化設計，使產品外型美觀、布局合理。小型一體化專用鍵盤不僅適用于一般的儀器控制系統，而且可以用于軍工加固計算機系統中。軍工產品中的微機多為加固PC類計算機，其采用PC機通用鍵盤。本文以PC機通用鍵盤為例，闡述研制小型一體化專用鍵盤的方法。
1 設計原理
PC機通用鍵盤通過“PS／2”5芯電纜與主機相連。該5芯電纜是鍵盤與主機之間信息與數據傳輸的路徑，定義如下：1端，RESET；2端，+5 V；3端，CLOCK；4端，地；5端，按鍵波形。其中1、2、4端的信號由主機內部確定；3端為時鐘信號CLOCK；5端為按鍵波形，此波形隨按下按鍵的不同而變化。
采用本文介紹的單片機控制系統和軟件編程的方法，可以準確模擬按鍵波形，使小型專用鍵盤的按鍵波形與PC機通用鍵盤對應按鍵波形一致。具體方法如下：首先用示波器測出PC機通用鍵盤各按鍵按下時的波形，并保存起來；然后用單片機控制系統和軟件編程模擬出各按鍵的CLOCK波形和按鍵波形，并確保各按鍵的CLOCK波形和按鍵波形時序匹配、形狀逼真，再將按鍵信息通過5芯電纜傳輸給主機。所選按鍵可根據需要安裝在產品的面板上等易于操作的地方。當操作者按下某鍵時，單片機控制系統產生相應的CLOCK波形與按鍵波形送給主機，實現按鍵功能。這樣就完成了小型專用鍵盤的設計。
2 硬件電路及軟件
2．1 單片機控制電路
采用單片機系統實現小型專用鍵盤的硬件電路，如圖1所示，設計完成的小型專用鍵盤的按鍵有18枚，排成6行×3列的矩陣。單片機可根據需要安裝在主機內部的接口板上，按鍵則安裝在產品的面板等易操作的地方。當按下某按鍵時，單片機控制系統將產生的CLOCK信號與按鍵信號通過“PS／2”5芯電纜傳送給主機。此硬件電路簡單，可充分利用軟件編程來模擬按鍵波形，實現鍵盤功能。系統要判斷某一按鍵是否按下，可以利用軟件逐一查詢6行×3列矩陣中的按鍵，然后輸出相應的按鍵模擬波形，從而實現按鍵功能。
2．2 舉 例
下面以按鍵“8”為例，說明如何從PC機通用鍵盤中“取出”所需按鍵，并保持各按鍵功能，形成小型專用鍵盤。首先用示波器測出在PC機通用鍵盤上按下“8”鍵時，5芯鍵盤通信電纜的3端和5端的波形。按鍵“8”的波形測量波形如圖2所示。
示波器通道1指示信號電纜3端的CLOCK波形，通道2為電纜5端的按鍵“8”的波形。用單片機軟件編程模擬圖2所示波形。按照圖1所示硬件電路，編程使單片機89C51的P2．4端產生CLOCK波形，P2．6端產生按鍵波形；P2．4端與5芯鍵盤電纜的3端相連，P2．6端與電纜的5端相連。當操作者按下產品面板上的“8”鍵時，程序執行模擬“8”鍵波形的子程序，并將模擬出的波形傳送給主機，這樣就完成了按鍵“8”的設計。用同樣的方法，可以設計出小型專用鍵盤上其他按鍵。
3 設計中要注意的問題
3．1 準確地模擬按鍵波形
每一枚按鍵的波形包括電纜3端的CLOCK波形與電纜5端的按鍵波形。各按鍵的CLOCK波形相同，如圖2所示通道1的波形，由10個脈寬為40μs且間隔也為40μs的脈沖和1個脈寬為500 μs的脈沖形成CLOCK波形；而5端的按鍵波形則因按鍵的不同而各異。要準確地模擬按鍵波形并使之時序匹配，即準確地計算出脈沖的寬度，必須精確地計算出時間常數，做好延時程序。如果單片機控制電路采用12 MHz晶振，則一個機器周期為1μs，時間常數X的計算公式為：
(循環體字節數)×機器周期×時間常數X=延時時間
在上式中，循環體字節數、機器周期、延時時間都已知，則時間常數x易求得。例如，延時1 ms程序如下：
利用上面公式可得到：(1+1+2)×1×X一1 000 μs則X=250μs，將其帶入上面的程序段中，執行該段程序，能實現1 ms精確延時。準確地計算出時問常數，精確地實現延時，就能確保模擬波形的準確性。3．2按鍵的抖動問題
凡有按鍵操作的系統，在設計中一般都要考慮按鍵的去抖。由于按鍵的機械觸點有彈性作用，在閉合及斷開瞬間均有抖動過程，抖動的時間長短與開關的機械特性有關，一般為5～lO ms。為了保證按鍵的1次閉合僅作1次按鍵輸入處理，就必須消除按鍵抖動對系統的影響。
采用軟件編程消除按鍵抖動影響的方法是：當檢測到某一按鍵按下時，執行相應模擬按鍵波形的子程序后，應再判斷該鍵是否彈起，若沒有彈起則等待，直至按鍵彈起；按鍵彈起后，延時20 ms再繼續執行后面的程序，以消除按鍵抖動現象。
3．3 同行多個按鍵同時有效的問題
當有按鍵操作，按下某一鍵時，可能出現該鍵同一行線上的其他多個按鍵同時有效的現象。采用屏蔽非當前列線的方法可解決這一問題：當檢測有無鍵按下時，須對列線和行線依次掃描，當掃描至某一列線時，該列線置“O”，同時其他列線置“1”，這樣就屏蔽了非當前列線，從而準確地判斷出某鍵是否按下。
3．4 按鍵波形被吃掉的問題
有些按鍵的波形只有1段，如圖2所示“8”鍵的波形；而有些按鍵的波形有2段或2段以上，如圖3所示“十”上移鍵的波形。2段波形間隔1．6 μs，用單片機仿真按鍵波形時，可看到第1段波形形成后，其后3 ms的時間內時鐘CLOCK保持低電平，導致按鍵第2段波形被吃掉。為了解決這一問題，在模擬具有2段以上波形的按鍵時，在2段波形之間應加入3 ms的延時，使按鍵的第2段波形脫離時鐘CLOCK的低電平區。這樣按鍵的第2段波形就不會被吃掉，從而保證了按鍵波形的完整，實現按鍵功能。
結 語
采用本文介紹的設計方法制作的小型一體化加固機專用鍵盤，已應用到產品中，其功能穩定可靠，取得了良好效果。實際工作中，可根據產品的結構特點和需要，應用該設計方法研制小型一體化專用鍵盤，具有推廣意義。