一種基于單片機的網(wǎng)絡(luò)鍵盤的設(shè)計與實現(xiàn)

第28卷第1期2011年1月計算機應(yīng)用與軟件ComputerApplicationsandSoftware一種基于單片機的網(wǎng)絡(luò)鍵盤的設(shè)計與實現(xiàn)王君1’2羅煥佐1許石哲1鄒媛媛11(中國科學院沈陽自動化研究所遼寧沈陽1100162(中國科學院研究生院北京100049摘要針對工業(yè)設(shè)備智能維護領(lǐng)域,通過研究分析PS/2鍵盤的接口、電氣特性及協(xié)議規(guī)范,利用單片機實現(xiàn)了標準的PC機鍵盤。并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù),設(shè)計并實現(xiàn)了一種網(wǎng)絡(luò)鍵盤,稱之為IP—KeyBoard,其擴展了傳統(tǒng)鍵盤的作用范圍,可以對遠程設(shè)備進行調(diào)試、參數(shù)設(shè)置等本地鍵盤操作。在局域網(wǎng)環(huán)境下,實驗驗證了網(wǎng)絡(luò)鍵盤遠程操作的可行性。關(guān)鍵詞單片機PS/2鍵盤網(wǎng)絡(luò)通信智能維護DESIGNINGANDREALISINGANMCU.BASEDIP.KEYBOARDWangJunl?2LuoHuanzu01XuShizhelZouYuanyuanl7(ShenyangIr“tituteofAutomation,ChineseAcademyofScience,Shenyang110016,Liaoning,China2(GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,ChinaA:bstractInlightofthefieldofintelligentmaintenanceofindustrialequipments,bystudyingandanalysingtheinterface,electricalcharac?teristicsandprotocolspecificationofthePS/2keyboard,inthisarticlewerealizedastandardPCkeyboardwithMCU,andcombiningwiththenetworktechnology,wedesignedandimplementedakindofnetworkkeyboard,whichisnamedtheIP—KeyBoardinthisarticle.Itexpandsthefunctionrangeoftraditionalkeyboard,andCanbeusedtOdosomelocalkeyboardoperationsonremoteequipments.InenvironmentofLAN,thefeasibilityoftheIP-KeyBoardhasbeenprovedbytheexperiments.KeywordsMCUPS/2keyboardInternetcommunicationIntelligentmaintenance0引言隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,裝備制造業(yè)的經(jīng)營理念也發(fā)生了很大變化,正逐步從裝備制造到裝備制造、服務(wù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型。智能維護的概念隨即被提出,其核心思想是在設(shè)備中嵌入監(jiān)測、診斷和維護等功能模塊。1J,利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù),實現(xiàn)設(shè)備的遠程維護。其優(yōu)點是顯而易見的,但它也存在著一些不完善的地方:一方面,在每套設(shè)備中都要嵌入相應(yīng)的維護模塊,勢必增加設(shè)備的成本;另一方面,該技術(shù)需要被維護的設(shè)備連接在互聯(lián)網(wǎng)上,而目前多數(shù)的設(shè)備都不具備此功能,大規(guī)模地進行產(chǎn)品更新和升級的代價也是高昂的,尤其是很多領(lǐng)域出于安全的原因,不允許設(shè)備連接在互聯(lián)網(wǎng)上。一種較好的方法是設(shè)計專門的儀器,與設(shè)備相連。再通過網(wǎng)絡(luò)連接儀器,進而遠程對設(shè)備進行調(diào)試、參數(shù)設(shè)置等本地操作。目前,已有的類似技術(shù)是KVMoverIP,它利用IP技術(shù)擴展KVM(Keyboard、Video、Mouse的作用范圍。雖然它也可以實現(xiàn)對設(shè)備進行遠程操作,但由于KVM技術(shù)的主要特點是利用一套外設(shè)控制多臺計算機,不適合應(yīng)用到點對點的設(shè)備維護領(lǐng)域。另外它的成本較高,性價比低,且不利于集成。因此,本文針對設(shè)備的遠程維護儀器中的鍵盤控制部分,將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與單片機技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計并實現(xiàn)了一種網(wǎng)絡(luò)鍵盤,本文稱為IP.KeyBoard,其擴展了傳統(tǒng)鍵盤的作用范圍,可以遠程實現(xiàn)對設(shè)備的鍵盤輸入。1PS/2鍵盤協(xié)議鍵盤主要由鍵開關(guān)矩陣、單片機和譯碼器三大部分組成,其基本原理就是不斷掃描按鍵,并通過PS/2接口向主機發(fā)送掃描碼,同時接收主機命令。1.1Ps/2設(shè)備接口PS/2設(shè)備接口協(xié)議是由IBM提出并開發(fā)的,它廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代的鍵盤、鼠標上。PC機鍵盤可以有6腳的mini—DIN或5腳的DIN連接器,本文選用的是6腳的mini—DIN接口,如圖1所示,目前只用到了四個管腳:電源地、+5V、數(shù)據(jù)和時鐘。Male公的Female坶∞6-proMmi—DINePS2I:歷心歷心1.Data:?N,oltmplcrnemcd弋::夕弋::y3.Ground\../\、—/4.一5、(Plug撼又ISocket}衢.毫5.CIock6?NotImplemcmed圖1PS/2設(shè)備接口1.2PS/2協(xié)議規(guī)范PS/2鼠標和鍵盤遵循一種雙向同步串行協(xié)議。每次數(shù)據(jù)收稿日期:2009-07—09。王君,碩士,主研領(lǐng)域:計算機技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。萬方數(shù)據(jù)164計算機應(yīng)用與軟件2011血線上發(fā)送一位數(shù)據(jù),同時在時鐘線上產(chǎn)生一個脈沖時被讀入。鍵盤/鼠標可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主機,而主機也可以發(fā)送數(shù)據(jù)到設(shè)備,但主機總是在總線上有優(yōu)先權(quán),它可以在任何時候抑制來自于鍵盤/鼠標的通信,只要把時鐘拉低即可舊J。主機與PS/2設(shè)備通信時,所有數(shù)據(jù)為一個字節(jié),每個字節(jié)亦稱為一幀。當設(shè)備到主機通信時,每幀有11位,包括1個起始位,總為0;8個數(shù)據(jù)位,低位在前;1個奇校驗位和一個停止位,總為1,數(shù)據(jù)在時鐘的下降沿被讀取,如圖2所示r2]。設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)前要先判斷時鐘是否為高電平,如果不是,則主機抑制了通信,設(shè)備緩存待發(fā)送數(shù)據(jù)直到時鐘電平為高。司幾廠]n廠ln廣]幾廠]廠]r]廠一面烈,[][](][[][】][[]廠~皇暑鼉譬譬;雩墨宅∈山ll薹b-薹差b-lll主b-l妻《卜-卜-卜Eo卜=q吒q吒呵罵粵墨曩卜∽ooooa凸口凸‘∞圖2設(shè)備到主機的通信當主機到設(shè)備通信時,每幀有12位,與設(shè)備到主機通信不同的是最后多了一個應(yīng)答位,數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿被讀取,如圖3所示一o。主機發(fā)送數(shù)據(jù)時,首先拉低時鐘信號至少lOOms以抑制通信,然后通過下拉數(shù)據(jù)線、釋放時鐘的方式發(fā)出“請求發(fā)送”的消息。設(shè)備要在不超過10ms的時間內(nèi)檢查這個狀態(tài),并產(chǎn)生時鐘,實現(xiàn)通信。麗廣1幾幾廠]幾廠1幾廠]幾r]n廣——一磊i—_、[X](][[X][[研./廣一llllillllll重∽oa凸j凸盤凸‘∽‘圖3主機到設(shè)備的通信1.3鍵盤掃描碼鍵盤向主機發(fā)送指定的代碼,以表明指定鍵的按下和釋放狀態(tài)。這種代碼稱為掃描碼,掃描碼分為“通碼”和“斷碼”兩種,鍵按下時發(fā)送通碼,釋放時,發(fā)送斷碼。每個鍵有唯一的通碼和斷碼,主機通過通斷碼判斷哪個鍵被按下或釋放,所有鍵一整套的通斷碼組成了“掃描碼集”【2J。目前有三套掃描碼集,而所有現(xiàn)代鍵盤都默認使用第二套掃描碼集。鍵的通碼和斷碼之間有一定的規(guī)律。多數(shù)第二套斷碼有兩個字節(jié)長,第一個字節(jié)是F0h,第二個字節(jié)是鍵的通碼。擴展鍵的斷碼有三個字節(jié),前兩個是E0h和F0h,第三個是通碼的最后一個字節(jié)。1.4鍵盤初始化由于PS/2鍵盤不支持熱插拔,所以需要重新啟動主機,對鍵盤進行一些初始化,對于自制鍵盤而言,初始化就是按照協(xié)議完成與主機的應(yīng)答。主機與鍵盤之間的初始化應(yīng)答主要包括以下幾步:(1鍵盤發(fā)送自檢通過命令(0xAA;(2主機發(fā)送重置狀態(tài)指示燈命令(0xED,鍵盤發(fā)送應(yīng)答(0xFA;(3主機發(fā)送關(guān)閉所有LED燈命令(0xOO,鍵盤發(fā)送應(yīng)答(0xFA;(4主機發(fā)送讀設(shè)備ID命令(OxF2,鍵盤發(fā)送三個字節(jié):應(yīng)答(0xFA、ID首字節(jié)(0xAB、ID次字節(jié)(0x83;(5主機發(fā)送重置狀態(tài)指示燈命令(OxED,鍵盤發(fā)送應(yīng)答(0xFA;(6主機發(fā)送機打速率命令(OxF3,鍵盤發(fā)送應(yīng)答(0xFA;還有其它一些命令,基本原則就是,主機發(fā)送命令,鍵盤發(fā)送應(yīng)答(0xFA,例外的是讀設(shè)備ID命令和主機在某時發(fā)送的回應(yīng)命令(0xEE,此時鍵盤亦發(fā)送回應(yīng)命令(0xEE,以表明鍵盤狀態(tài)正常。2網(wǎng)絡(luò)通信本文在自制鍵盤的基礎(chǔ)上,加入了網(wǎng)絡(luò)通信功能,設(shè)計出一種網(wǎng)絡(luò)鍵盤。網(wǎng)絡(luò)通信的實現(xiàn)采用的是套接字技術(shù)。2.1Winsock套接字上位機程序的開發(fā)平臺是安裝Windows操作系統(tǒng)的PC機,故套接字選用的是Windows下的套接字,即Winsock,它類似于UNIX下的Socket,基于標準的TCP/IP協(xié)議。利用套接字編程,通常有兩種方式:一種是面向連接的流方式,即通信雙方首先獲得一條連接鏈路,然后就可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù),它基于的是TCP(TransportControlProtoc01協(xié)議,這種方式的特點是通信可靠,具有校驗和重傳機制,通常用來發(fā)送一些可靠性要求較高的數(shù)據(jù)文件;另一種是無連接的數(shù)據(jù)報文方式,這種方式基于UDP(UserDatagramProtoc01協(xié)議,通信雙方只是簡單地將數(shù)據(jù)包以獨立包的形式發(fā)送,并不提供無錯保證,數(shù)據(jù)可能會丟失、重復(fù),多用于實時語音、圖像等數(shù)據(jù)的傳輸。2.2阻塞與非阻塞網(wǎng)絡(luò)通信過程中,由于網(wǎng)絡(luò)堵塞或一次數(shù)據(jù)量發(fā)送過大,使得數(shù)據(jù)無法在短時間內(nèi)交換完,收發(fā)數(shù)據(jù)的函數(shù)無法返回,這種情況稱為阻塞。Winsock提供了兩種工作方式:阻塞和非阻塞模式。前者要等所有數(shù)據(jù)都處理完才能返回,當數(shù)據(jù)量很大時,這種方式所帶來的問題就十分明顯;而非阻塞模式下,函數(shù)被調(diào)用后立即返回,當網(wǎng)絡(luò)操作完成后,由Winsock給應(yīng)用程序發(fā)消息,通知操作完成,此時可以根據(jù)消息參數(shù)判斷操作是否正常。Winsock通過異步選擇函數(shù)WSAAsyncSelect(函數(shù)實現(xiàn)非阻塞通信一J。方法是由該函數(shù)指定某種網(wǎng)絡(luò)事件,當指定的網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時,由Winsock發(fā)送事先約定的消息,程序根據(jù)這些消息作出相應(yīng)處理。主要的網(wǎng)絡(luò)事件如表1所示。表1主要網(wǎng)絡(luò)事件值說明FDREAD希望有數(shù)據(jù)可讀時收到通知FD_ACCEPT希望有連接請求時收到通知FD—CONNECT希望連接完成時收到通知FDCLOSE希望套接字關(guān)閉時收到通知3系統(tǒng)設(shè)計3.1單片機電路本文利用AT89S52單片機仿真鍵盤,實現(xiàn)了標準的Pc鍵盤的功能,作為網(wǎng)絡(luò)鍵盤的關(guān)鍵一環(huán),其作用是接收主機的并口數(shù)據(jù),判斷遠端Pc機的被按鍵,然后向工業(yè)設(shè)備的PS/2接口發(fā)送相應(yīng)掃描碼。其接口電路如圖4所示。萬方數(shù)據(jù)第1期王君等:一種基于單片機的網(wǎng)絡(luò)鍵盤的設(shè)計與實現(xiàn)165P2O2堿=c1峻P2.13P幺24D^T^P3.OP2.35P2.46P2.68GND6mI'2.79設(shè)備Ps/2j;￡口^T89ss2現(xiàn)場主機并口圖4單片機接口電路單片機的管腳P3.0作為數(shù)據(jù)線,P3.1作為時鐘線,由設(shè)備Ps/2接口供電;另外,P2端口的8個管腳分別接現(xiàn)場主機并口的2到9號管腳,即數(shù)據(jù)端口。3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計單片機程序采用C語言編寫,主要功能是完成開機初始化、接收主機命令并應(yīng)答、響應(yīng)上位機信息發(fā)送掃描碼。單片機主程序的流程如圖5所示。圖5單片機主程序流程圖在單片機與主機的通信過程中,要頻繁使用到兩個子程序:接收子程序和發(fā)送子程序,如圖6、7所示。由于主機在通信上有優(yōu)先權(quán),所以單片機要不斷查詢主機是否取消通信。圖6接收子程序流程圖圖7發(fā)送子程序流程圖PC機程序以VisualC++6.0為開發(fā)工具,基于Winsock技術(shù),搭建C/S(客戶端/服務(wù)器模型網(wǎng)絡(luò)通信平臺。考慮到通信的可靠性,數(shù)據(jù)的傳輸選用面向連接的流協(xié)議,即TCP協(xié)議;同時利用wsAAsyncselect(函數(shù)實現(xiàn)套接字的非阻塞通信。(1客戶端程序客戶端程序主要功能包括提供人機交互界面、響應(yīng)本地鍵盤消息、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。人機交互界面如圖8所示,界面有視頻顯示、云臺控制和網(wǎng)絡(luò)連接功能,同時有一個鍵盤控制的復(fù)選框,以保證在需要的時候才能進行鍵盤控制圖8客戶端界面程序首先建立流式套接字:m~Client=WSASocket(AF—INET,SOCK_STREAM,0,NULL,0,0;選擇網(wǎng)絡(luò)事件,實現(xiàn)非阻塞套接字:WSAAsyncSelect(n1..Client,ITI—.hWnd,CM..READINFO,FD—.READIFD_WRITEFD—CLOSEFD—CONNECT;對鍵盤進行遠程控制的思想是客戶端截獲鍵盤消息,獲取虛擬鍵值等參數(shù),按照事件規(guī)定的格式打包、發(fā)送,服務(wù)端接收數(shù)據(jù)包,解析后將命令放入消息隊列、處理?？蛻舳嗽赑reTranslateMessage(MSG4pMsg函數(shù)中截獲鍵盤消息:if((rectSync.PtlnRect(pMsg一>pt&&m~KeyCheck{//判斷是否截獲鍵盤消息萬方數(shù)據(jù)166計算機應(yīng)用與軟件2011年memset(szMouseMessage,’、O’.sizeof(szMouseMessage;sprintf(szMouseMessage?！盬M—KD;%d;%d;%d;%d;\0”,pMsg一>wParam,1,1,pMsg一>IParam;//數(shù)據(jù)打包send(nl—Client,szMouseMessage,strlen(szMouseMessage,0;//發(fā)送數(shù)據(jù)包break;利用實驗室條件,選擇三臺Pc機,分別作為客戶端、服務(wù)器和設(shè)備。連接硬件,用自制的鍵盤代替作為設(shè)備的Pc機的PSl2鍵盤,重新開機,完成自檢;另外自制鍵盤的P2端口接到服務(wù)器PC機的并口數(shù)據(jù)引腳上(PIN2~PIN9。軟件上,首先在服務(wù)器上運行服務(wù)端程序,開始監(jiān)聽指定端口;然后客戶端分別連接服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)攝像機。通過網(wǎng)絡(luò)攝像機觀測設(shè)備屏幕,開啟鍵盤控制,本地敲擊鍵盤,完成對設(shè)備的輸入操作。實驗效果如圖8所示。fc蛾WM—KEYUP://鍵釋放5結(jié)論{//與“WM—KEYDOWN”處理相同}只有復(fù)選框被選中,同時鼠標放在視頻顯示區(qū)時才可以進行消息截獲,避免與本地輸入操作沖突。pMsg一>wParam表示按鍵的虛擬鍵值,通過它可以判斷是哪個鍵被按下。獲取按鍵信息后,加上頭信息,如“WM—KD”表示鍵按下,放入字符串sz.MouseMessage后發(fā)送到服務(wù)器?？蛻舳顺绦蛲ㄟ^嵌入WEB瀏覽器控件,連接網(wǎng)絡(luò)攝像機,實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)測及云臺控制。(2服務(wù)端程序服務(wù)器程序主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接收、解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、并口發(fā)送等功能。,服務(wù)器的套接字建立與客戶端相似,首先響應(yīng)FD—ACCEPT網(wǎng)絡(luò)事件,接受連接請求:m—Client:accept(m—ListenSocket,0,O;接著響應(yīng)FD—READ網(wǎng)絡(luò)事件,接收數(shù)據(jù):recv((SOCKETwParam,szMessage,length,O;然后解析數(shù)據(jù),判斷是鍵按下(“WM—KD”還是鍵釋放(“WM—KU”,并通過虛擬鍵值確定對應(yīng)按鍵,最后,根據(jù)虛擬鍵值輸出相應(yīng)參數(shù)到Pc機并口的數(shù)據(jù)端口,與單片機通信。并口的寫操作通過調(diào)用WinIO庫的SetPortVal(WORDwPortAddr,DWORDdw-PortVal,BYTEbSize函數(shù)實現(xiàn),wPortAddr為端口地址,dwPortVal為待寫入值,bSize為寫入的字節(jié)數(shù),取值為1、2或4。4.實驗在局域網(wǎng)環(huán)境下,搭建實驗平臺。平臺主要包括單片機鍵盤、遠程主機、網(wǎng)絡(luò)攝像機、設(shè)備主機和本地主機五部分,如圖9所示。圖9網(wǎng)絡(luò)鍵盤實驗平臺本文基于單片機設(shè)計并實現(xiàn)了一種網(wǎng)絡(luò)鍵盤,可以在遠程對設(shè)備進行調(diào)試、參數(shù)設(shè)置等本地鍵盤操作。在局域網(wǎng)中進行多次實驗,未發(fā)現(xiàn)輸入錯誤的情況。而且由于數(shù)據(jù)包很小,加上采用TCP傳輸協(xié)議,數(shù)據(jù)幾乎沒有阻塞和丟包的情況,實驗驗證了網(wǎng)絡(luò)鍵盤遠程操作的可行性和有效性。文中重點討論了網(wǎng)絡(luò)鍵盤的設(shè)計與實現(xiàn),對于鍵盤操作的網(wǎng)絡(luò)延時問題將在下一步工作中深入研究。同時,利用網(wǎng)絡(luò)鍵盤的思想,也可以實現(xiàn)鼠標的遠程控制。參考文獻[1]袁楚明,何嶺松,陳幼平,等.數(shù)字化智能維護技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機械與電子,2003(5:34—36.[2]AdamChapweske.PSl2Keyboard&MouseProtocols.[3]丁展,劉海英.VisualC++網(wǎng)絡(luò)通信編程實用案例精選[M].北京:人民郵電出版社。2004.[4]陳曦.PSl2接口協(xié)議解析及應(yīng)用[J].國外電子元器件,2004(4:14一18.[5]孫鑫,余安萍.VC++深入詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.(上接第144頁軟件開發(fā)難以回避軟件技術(shù)問題,可使用自動代碼生成技術(shù)將有關(guān)復(fù)雜軟件技術(shù)的工作轉(zhuǎn)移給軟件專家,以降低業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)＜业拈_發(fā)難度。這樣不同類型專家的長處可以充分發(fā)揮,有利于提高工作效率。本文研究發(fā)現(xiàn),自動代碼生成技術(shù)不僅可以幫助軟件專家和業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)＜液侠矸止?還可為軟件開發(fā)帶來代碼易于修改、容易保持一致性等好處。對大型軟件開發(fā)來說,根據(jù)軟件項目特點適當使用自動代碼生成技術(shù),可以有效控制代碼質(zhì)量,加快開發(fā)進度。參考文獻[1]蔣志軍,祝成民.基于CORBA的火箭發(fā)動機仿真軟件集成[c]//北京航空航天大學第四屆研究生學術(shù)論壇.2007—06.[2]蔣志軍.火箭發(fā)動機仿真系統(tǒng)軟件集成與虛擬現(xiàn)實用戶界面研究[D].北京:北京航窄航天大學,2007.[3]喬健行,任惠英.軟件系統(tǒng)集成[M].北京:科學出版社,2005.[4]萬建成,孫彬.支持用戶界面自動