鍵盤接口控制器設(shè)計

1、PS2鍵盤接口控制器設(shè)計 PS/2鍵盤接口控制器設(shè)計班級 姓名： 學(xué)號： 班內(nèi)序號： 時間： 課題名稱：PS/2鍵盤接口控制器設(shè)計一、摘要和關(guān)鍵詞摘要： PS/2是在電腦上常見的接口之一，用于鼠標、鍵盤等設(shè)備。PS/2接口是輸入裝置接口，而不是傳輸接口，所以PS/2口只有掃描速率。在Windows環(huán)境下，PS/2鼠標的采樣率默認為60次/秒。微控制器所要作的工作就是監(jiān)測所有的按鍵，以及當按鍵被按下或放開時，就回報給主機。本實驗中，通過數(shù)字可編程芯片模擬控制器將鍵盤的輸入分別輸出到數(shù)碼管和點陣顯示。關(guān)鍵詞：PS/2接口 點陣 數(shù)碼管 數(shù)字可編程芯片二、設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計制作一個PS/2鍵盤接口控制

2、器，實現(xiàn)以下功能：1. 按照PS/2鍵盤接口標準設(shè)計一個控制器，接收PS/2鍵盤發(fā)送的數(shù)據(jù)，用數(shù)碼管顯示接收到的鍵值（只顯示09，az，部分不便用數(shù)碼管顯示的字符可自行設(shè)定顯示方式，接收到其他鍵值則不顯示）；2. 用88點陣做顯示屏，顯示所有按鍵的鍵值。三、設(shè)計思路、總體結(jié)構(gòu)框圖1. 設(shè)計思路：帶PS/2接口的鍵盤與實驗開發(fā)板連接后，通過可編程芯片讀取鍵盤輸入的鍵值，通過數(shù)據(jù)線分別傳送至數(shù)碼管和8*8點陣顯示。在實驗中，分三個模塊實現(xiàn)實驗所要求的功能：檢測鍵盤輸入鍵值模塊、數(shù)碼管顯示模塊、8*8點陣顯示模塊。將三個模塊分別設(shè)計好后，組合在一起，即可實現(xiàn)實驗所要求的功能。2. 總體結(jié)構(gòu)框圖：四、

3、控制器部分的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和流程圖1. 控制器部分的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下圖所示（其中狀態(tài)值是shift_in的值，假設(shè)本次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)據(jù)值是11010011，傳輸其他字節(jié)數(shù)據(jù)信息時，同理，只需修改shift_in值即可）：2. 控制器部分的流程圖如下圖所示：五、分塊電路和總體電路設(shè)計分三個模塊實現(xiàn)實驗所要求的功能：檢測鍵盤輸入鍵值模塊、數(shù)碼管顯示模塊、8*8點陣顯示模塊。其組合關(guān)系如下圖所示：實驗完成后的總體效果圖如下圖所示：1. 檢測鍵盤輸入鍵值模塊設(shè)計檢測帶PS/2接口的鍵盤輸入時，需要按照特定的步驟來執(zhí)行操作，才能正確地讀取鍵盤輸入的鍵值。嚴格的讀取數(shù)據(jù)步驟為：1）等待鍵盤時鐘信號clock =

4、high；2）延時50微秒；3）鍵盤時鐘信號clock仍舊為high？No則回到第1步，Yes則向下執(zhí)行；4）數(shù)據(jù)控制信號data=high?No則放棄(并且從主機讀取字節(jié))，Yes則向下執(zhí)行；5）延遲20微秒(若正在發(fā)送起始位則延時40微秒)；6) 輸出起始位bit (0) (在發(fā)送所有這些位的每一位后都要檢測時鐘線)；7) 輸出8個數(shù)據(jù)位(測試時鐘確認主機是否把時鐘線拉低了)；8) 輸出校驗位；9) 輸出停止位，延遲30 毫秒。而按如下的過程發(fā)送單個位1）設(shè)置復(fù)位數(shù)據(jù)；2）延遲20微秒；3）把時鐘拉低；4）延遲40微秒；5）釋放時鐘；6）延遲20微秒。通過實際情況修正與改進以上步驟，在本實

5、驗中采用的讀取鍵盤輸入鍵值模塊的VHDL語言編程的流程圖如下圖所示：2. 數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計當需要在一個數(shù)碼管上顯示字符時只要在數(shù)據(jù)端需要點亮的字段管腳上輸入1,不需要點亮的字段輸入管腳上輸入0,同時把相應(yīng)的控制端置為0即可。當鍵盤鍵值和數(shù)字09的通碼比較后，即可送往數(shù)碼管顯示。數(shù)字09對應(yīng)的ag、p的高低電平如下表所示：數(shù)字abcdefgp011111100101100000211011010311110010401100110510110110610111110711100000811111110911110110數(shù)碼管功能原理圖如下圖所示：3. 8*8點陣顯示模塊點陣是由8行8列一共64

6、個發(fā)光二極管構(gòu)成。一共對外的管腳有16條，分為行ROW1ROW8 和列COL1COL8。點亮EPM1270TCC54芯片上的點陣上某一個點的條件是對應(yīng)該點的行管腳輸出高電平，列管腳輸出低電平。利用點陣顯示某個字符時，需要先計算出需要點亮點陣的哪些點，再使用行掃描的掃描方式對點陣逐行掃描，即可顯示所需要顯示的字符，其流程圖如下所示：六、所實現(xiàn)功能說明1. 已完成的基本功能和擴展功能：1）可分別用撥碼開關(guān)SW0SW5控制是否使用數(shù)碼管DSP1DSP6顯示數(shù)字鍵值，數(shù)碼管可顯示數(shù)字09；2）可用SW7控制是否使用8*8點陣顯示鍵值，點陣可顯示數(shù)字09、字母AZ；3）可用SW6控制是否讀取鍵盤輸入的鍵

7、值。2. 器件資源占用情況：使用了41個管腳接口，如下圖所示：使用了336個宏單元，如下圖所示：3. 關(guān)鍵波形仿真：在進行波形仿真時，由于本實驗?zāi)MPS/2控制器的特殊性，輸入的主要數(shù)據(jù)是keyboard_data，每次讀取1位數(shù)據(jù)，在波形仿真時，輸出的是鍵盤鍵值的通碼，輸入輸出的數(shù)據(jù)的位數(shù)不一致（keyboard_data是1位，而輸出是8位），由于仿真時系統(tǒng)的時鐘不能太快，否則仿真時間會特別長導(dǎo)致軟件崩潰，故在仿真波形上只能看到點陣中第一行的波形4. 測試方法與步驟：主要按以下步驟進行本系統(tǒng)的調(diào)試與改進：1）鍵盤與實驗開發(fā)板之間連接好；2）單獨編寫數(shù)碼管顯示程序，利用數(shù)碼管顯示特定的數(shù)字；

8、3）單獨編寫點陣顯示程序，利用點陣顯示特定的字符；4）編寫鍵盤輸入鍵值讀取程序，并和數(shù)碼管程序結(jié)合起來，把輸出數(shù)據(jù)送至數(shù)碼管顯示。這時，就可以根據(jù)數(shù)碼管顯示的字符是否正確來改進鍵盤輸入鍵值讀取程序，只要數(shù)碼管能正確顯示一個數(shù)字，顯示其余的數(shù)字也就是重復(fù)相同的原理而已；5）在前面4步調(diào)試好后，把三個模塊檢測鍵盤輸入鍵值模塊、數(shù)碼管顯示模塊、8*8點陣顯示模塊的程序組合起來即可。七、故障及問題分析在編寫檢測鍵盤輸入鍵值模塊的VHDL程序時，按照參考資料上的特定步驟，并不能正確地讀取鍵盤輸入的鍵值。問題分析：對于兩份PDF參考資料上關(guān)于PS/2設(shè)備向主機發(fā)送一個字節(jié)和一位數(shù)據(jù)的描述，其是建立在向主機

9、（計算機）發(fā)送的基礎(chǔ)上的，而本實驗中利用數(shù)字電路實驗開發(fā)板模擬PS/2控制器，數(shù)字芯片可以直接從鍵盤數(shù)據(jù)輸入口讀取數(shù)據(jù)，省去了很多不必需的步驟：1）校驗位和停止位：由于起始位始終為0，數(shù)據(jù)位為8位，而檢驗位與停止位讀取與否并不影響該程序的功能實現(xiàn)，所以只需讀取PS/2鍵盤的起始位和數(shù)據(jù)位，并且最終將8位數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)存入data_cade和data_code1。這樣，既不影響程序功能的正確實現(xiàn)，又能精簡程序代碼。2）時鐘信號電平：在參考資料中，在讀取數(shù)據(jù)位時，要求時鐘信號為高。但在實際編程仿真中發(fā)現(xiàn)：在等待時鐘信號時，它的電平高低對后來的讀取數(shù)據(jù)并沒有影響。這也是本次實驗的特殊之處，同樣，對于數(shù)據(jù)位

10、的高低電平也不必強制要求。3）延時問題：在參考資料中，反復(fù)提到讀取數(shù)據(jù)位過程中的延時，但在編程中發(fā)現(xiàn)并不需要設(shè)置延時，而同樣能正確地讀取了鍵盤輸入的數(shù)據(jù)。在使用VHDL語言編程、利用數(shù)字可編程芯片仿真PS/2控制器時，并不需要專門的延時時間，鍵盤數(shù)據(jù)是每一位連續(xù)傳向數(shù)據(jù)線的，其中指令的執(zhí)行時間已經(jīng)足夠控制芯片讀取數(shù)據(jù)的緩沖時間。八、總結(jié)和結(jié)論通過這次數(shù)電實驗，我進一步加深了對可編程邏輯器件的認識，熟練掌握了quartus ii軟件的使用方法，包括編程，仿真下載測試。并且系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了VHDL語言。 同時，學(xué)習(xí)了PS/2協(xié)議，了解了PS/2鍵盤是如何向主機傳輸數(shù)據(jù)的，也解開了我從小到大一直的疑惑。

11、九、參考文獻1 PS/2鍵盤協(xié)議2數(shù)字電路與邏輯設(shè)計實驗教程北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院電路實驗中心2009年3月十、源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity keyboard is port( keyboard_clk, keyboard_data, key_stop: in std_logic;-鍵盤時鐘信號，1位數(shù)據(jù)信號，終止鍵盤輸入信號clk:in std_logic;-系統(tǒng)時鐘信號led_clr: in st

12、d_logic;-點陣顯示復(fù)位信號 led_code: out std_logic_vector(7 downto 0); -接收到的送數(shù)碼管顯示的8位數(shù)據(jù)信號cat: out std_logic_vector(5 downto 0);-控制哪個數(shù)碼管顯示swcat: in std_logic_vector(5 downto 0);-利用撥碼開關(guān)控制哪個數(shù)碼管顯示 row: out std_logic_vector(7 downto 0);-行通量 col: out std_logic_vector(7 downto 0);-列通量end keyboard;architecture a of

13、keyboard issignal counter : std_logic_vector(3 downto 0); -計數(shù)器signal shift_in : std_logic_vector(8 downto 0); -包含1個起始位和8個數(shù)據(jù)位signal read_bit : std_logic; -是否讀取數(shù)據(jù)控制信號signal data_code : std_logic_vector(7 downto 0); -8位數(shù)據(jù)信號signal data_code1: std_logic_vector(7 downto 0);-點陣顯示signal temp: integer range

14、1 to 8;-列掃描控制信號signal t: std_logic;signal clkout: std_logic;beginprocess(clk)-1K分頻器variable count: integer range 0 to 1000;beginif (clkevent and clk=1) thenif (count = 499) thencount := 0;t = not t;elsecount := count + 1;end if;end if;clkout = t;end process;processbeginwait until (keyboard_clkevent

15、and keyboard_clk = 0);-等待鍵盤時鐘信號為低電平if key_stop = 1 then -終止鍵盤輸入 counter = 0000; -計數(shù)器設(shè)置為0 read_bit = 0; -讀取數(shù)據(jù)控制信號為低電平else if keyboard_data = 0 and read_bit = 0 then -數(shù)據(jù)線信號為低電平且讀取數(shù)據(jù)控制信號為低電平 read_bit= 1; -則開始讀取數(shù)據(jù)位 else if read_bit = 1 then -開始處理8個數(shù)據(jù)位 if counter 1001 then -計數(shù)器小于1001時 counter = counter +

16、 1; -計數(shù)器加1 shift_in(7 downto 0) = shift_in(8 downto 1); -每次不讀取shift_in(0)(該位為起始位) shift_in(8) = keyboard_data; -讀取新的數(shù)據(jù)位 else data_code = shift_in(7 downto 0); -存儲8位數(shù)據(jù)信號 data_code1 = shift_in(7 downto 0); -存儲8位數(shù)據(jù)信號 read_bit = 0; -讀取數(shù)據(jù)控制信號置0 counter = 0000; -計數(shù)器置0 end if; end if; end if;end if;end pro

17、cess;process(data_code)-數(shù)據(jù)送數(shù)碼管顯示begin cat led_code led_code led_code led_code led_code led_code led_code led_code led_code led_code led_code = 00000000; end case;end process;process(data_code1,clkout)-數(shù)據(jù)送led點陣顯示beginif led_clr=1 then -復(fù)位row=00000000;col=00000000;temp rowcolcolcolcolcolcolcolcolcolco

18、lcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcol rowcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcol rowcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcol rowcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolc