PS接口键盘的输入识别电路设计方案报告说明书

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ﻩﻩ课程设计(报告）任务书（理工科类）Ⅰ、课程设计（报告）题目:Ⅱ、课程设计（论文）工作内容一、课程设计目标１.培育综合运用知识和独立开展实践创新的能力；2.把PS/2的传输协议理解的更透彻一些；３．将VｅｒｉlogHＤL语言运用的更加娴熟。二、讨论方法及手段应用1。将任务分成若干模块，查阅相关论文资料，分模块调试和完成任务;2．学习PＳ2键盘协议；３。分模块实验箱调试。三、课程设计预期效果１．完成实验环境搭建；２．以通用的PS2键盘为输入，设计一个能够识别PＳ2键盘输入编码的电路，并把键值通过数码管显示;３。至少能够识别0~９的数字键。同学姓名：吴韬专业班级：０9级自动化摘要ＰS/2键盘是一种常用的计算机输入设备,只需稍加改动，便可很便利的应用在各种嵌入式系统中.本文提出了一种利用ＦＰＧA来设计ＰS/2接口的方法，结果表明此方法有容易实现模块化和移植性强的特点。【关键词】PS/２接口嵌入式系统FＰGAAＢSTＲＡCTＰS／２keyboａｒdｉｓagｅneraliｎputｏfcomputesyｓteｍ．Ｉtcanbeｅasilｙeqｕipｐedwithvａｒioｕseｍbｅddｅｄsysｔｅｍｓ。ThiｓｐaｐerｄescｒｉbｅsaｎewmethodｔodesignPS/2intｅｒｆａｃewithFPＧA。Ｔheｒesultindicatestｈattｈedｅsignｈasthｅfeaｔuresｏfeasｙｍｏdｕlaｒizａｔionandpoｗeｒfultrａｎsplａntａblecaｐａbilｉty。【Keywoｒds】PＳ／２ｉnｔｅrｆaｃe;embeｄｄｅｄｓｙｓtｅm；FPＧA第一章系统设计第一节课题目标及总体方案键盘作为嵌入式系统的一种最常用人机接口设备,在嵌入式系统中有着相当广泛的应用。但开发者一般均采纳自行设计的简易矩阵键盘，这类键盘仅仅是按行、列排列起来的矩阵开关，往往需要单独设计并制作,通用性不强。当需要较多的按键时,则会占用较多的Ｉ／Ｏ端口,在软件上则要进行上电复位按键扫描及通信处理，而且还要加上按键的去抖动处理,增大了系统的软硬件开销。而ＰＳ／2键盘，内嵌自动去除按键抖动的设计，自动地识别键的按下与释放，软硬件可发简便，价格廉价,稳定牢靠，将ＰS/2键盘作为嵌入式系统的输入设备已经成为可行的方案。而目前关于PS／2键盘掌握的应用大部分采纳单片机掌握，与单片机相比，FPＧA具有比单片机更加灵敏,集成度更高,容易移植等特点。本文在分析PＳ/２协议和ＰＳ/2键盘工作原理与特点的基础上,给出了在ＡＬＴEＲACycloｎｅ系列EPＩＣ6Ｑ240C8上对PＳ／2键盘接口的实现方法。其次节PS/2接口协议简介PS/2物理特性PＳ／2设备接口用于很多现代的鼠标和键盘,它最初由IBM开发，最常见的为6脚minｉ-ＤIN,其引脚结构和外形如图1所示。图1PＳ／２硬件接口外形图PＳ/2设备有主从之分，现在广泛使用的ＰS/2键盘鼠标均工作在从设备方式下。PS／2接口的时钟与数据线都是集电极开路结构,必须外接上拉电阻，一般上拉电阻设置在主设备中，主从设备之间的数据通信采纳双向同步方式传输，时钟信号一般由从设备产生。二、数据包的结构键盘的状态每转变一次,键盘至少会发出三个字节的数据包，在有键按下时会向主机发送该键的通码（ＭａkeCode),当键释放时发送断码(BｒeaｋCoｄe）。例如:键“A”的通码为０x１C,键“A”的断码为：0ｘＦ0,0x1C,因此当要传送键“A”时，键盘发送的数据包的代码是:0ｘ１C，0xＦ0,0ｘ1Ｃ。接口的时序规律PＳ／2协议是一种双向半双工串行通信协议，时钟信号由键盘产生，最大时钟频率为33ｋHz,推举频率在15kHz.通信两端通过Clｏｃk同步，通过Data交换数据,任何一方如果想禁止另一方通信时，只需将Cｌock拉到低电平.其传输时序依据传输的方向不同分为发送和接收两个不同时序规律,图２是从键盘到主机的时序图.其中：Staｒt：起始位,总为‘0’(低电平）Daｔa０～Ｄａｔａ7：８位数据位(低位在前，高位在后)Pａriｔｙ:奇偶校验位(为奇校验)Ｓｔoｐ：停止位,总为‘1'(高电平）当键盘要向主机通信时，键盘总是首先检查时钟线是否为高电平,如果不是则表明是主机正在通信，必须缓冲要发送的数据直到重新获得总线的掌握权（键盘有16个字节的缓冲区）,即等到时钟线是高电平才能发送数据。而且从键盘到主机的数据只能在时钟的下降沿时才能被读取。当主机到键盘进行通信时,主机会首先把时钟线和数据线设置为“恳求发送”状态。简略方式为：首先下拉时钟线至少１0０μs来抑制通信,然后下拉数据线“恳求发送"，最后释放时钟.在此过程中,键盘在不超过10μｓ的间隔内就会检查这个状态。当键盘检查到这个状态时,就开头产生时钟。和键盘发送的数据读取方式不一样，主机发送的数据必须在时钟的上升沿读取.结果与商量第一节ＰＳ/2接口的规律仿真本次设计采纳了自上而下的模块设计方法,考虑需要设计以下几部分模块：串并转换模块,分拣接收模块，掌握模块，封装发送模块等。这几部分的规律关系如图３所示：串并转换模块主要是接收和发送传输数据,能够把串行数据转变成所需要的并行数据。分拣接收模块功能是把串并转换模块传过来的数据包依据肯定的要求进行分拣提取，从而得到有用的信息。掌握模块是设计的核心,PS/２接口是半双工串行总线，因此其发送和接收不能同时进行,需要掌握模块对其时序进行严格的掌握。掌握模块负责协调整个设计的全过程，在本设计中采纳了状态机的设计思路。封装发送模块和分拣接收模块类似，只不过是把要传送的命令数据转变成PS/2协议要求的发送数据包的格式.整个设计的流程图如图4所示:当系统上电或复位时，主设备首先向键盘发送初始化信号，在得到键盘的应答信号后，系统进入到了总线空闲状态,可以进行数据的发送和接收,但主设备拥有更高的优先级,正处在接收状态时如果得到发送恳求,会中断数据接收，直接进入数据发送状态。其次节硬件验证硬件验证在JH-FPGA０2３3实验箱实现,在系统中用到复位电路，电源电路,FPGＡ芯片，程序下载电路,PS／２接口电路，数码显示电路等。选取Cyclｏnｅ系列EＰIC6Q24０C8型FPＧA器件进行综合,将综合后的配置文件下载到开发板之后，系统上电,ＰS／2设备初始化后在实验箱正确观察到了键盘的输入。图5(接收数字，显示ASＣＩI码） 图6（接收字母，显示ＡＳCＩI码)ﻬ心得体会课程设计完成了，在这个过程中我学到了很多东西。首先ＦＰGＡ的硬件验证表明，设计的各个模块成功地实现了复位后的数据传送过程,达到了预期的目标。VｅriｌｏｇHDL语言的通用性决定了其具有移植性强的特点,对实际的应用具有肯定的参考价值.本文作者创新点:本文所作的讨论是在利用单片机实现PS/2接口的基础上，重新用FＰGＡ实现了对PＳ/2接口的掌握。该方法较传统的单片机实现方法具有实现简洁，移植性强，便于集成等特点。ﻬ参考文献［１］张琴,向先波,徐国华．PS／2键盘在基于PＩC单片机的远程多温度点巡检 ﻩ系统中的应用机械与电子，20０６（8)：40-42。[２］苗新法,王秀华．ＰＳ/2键盘在嵌入式系统中的应用讨论［Ｊ]．兰州交通ﻩﻩ高校学报(自然科学版）,２007（1）．［３]刘勇，王玉晶，曲斌，于洋．一种嵌入式PC非标准键盘的设计ﻬ附录程序：/｀tｉmescａle1ｎｓ／1psｍodｕleｐs2（clk，rst_ｎ，ps2＿cｌk,ps２_data，ｐｓ2_bｙtｅ）;iｎpｕｔｃlｋ,rsｔ＿ｎ,pｓ２＿clｋ，ps２＿datａ;outpｕt［７:0］ｐs2_bｙtｅ；／/²¶×½Ï½µÑØregｐｓ2＿clk0，ps2＿cｌｋ1,ps２_ｃlｋ２；wirenｅｇ_ps２_cｌk；aｌwａｙs@（ｐｏｓｅｄｇｅｃlkornegedgeｒst_n)ｉｆ(！rst_ｎ）beｇiｎps2_ｃlk０〈=1'ｂ0；ps2_clｋ1＜=１’ｂ0；ｐｓ2_ｃlｋ2＜=１'b０;enｄelｓebeginps2＿cｌｋ0＜=pｓ２_cｌk；ps2_ｃｌk1<=pｓ２＿clk０;pｓ2_clk2＜=ps2＿ｃlk1；ｅｎｄａｓsｉgｎneg_ｐｓ２_clk=ps2_clk2＆~ps２＿clｋ1；//°´ÕÕʱÐò½øÐÐÈ¡Êýreｇ[７：0］pｓ2_bｙｔe_ｒ；/／ouputpｓ2＿ｂｙte¶ÔÓ¦µÄ¼Ä´æÆ÷±äÁ¿reｇ[7：０］temp_ｄａtａ；／／Êý??»º³å±äÁ¿reg［３:0]nｕｍ;alwaｙs＠（posedgｅclkｏｒneｇeｄgerｓt_ｎ）if（!rst＿n)bｅgiｎtｅｍp＿dａta＜=8'b0；ｎｕm<＝１'ｂ0;eｎｄelｓeｉｆ(ｎeｇ＿ｐs2_clk）//µ±Ï½µÑØʱ£¬³ö·¢Ê¼þbegiｎｃase(ｎum）4'd0：nuｍ＜=ｎum＋１;//¿ªÊ¼×´Ì¬4’d1:begiｎｎum<＝ｎｕｍ+１；tｅmp＿data[0]〈＝ps２＿data；eｎd4＇d2：ｂeginnｕｍ<＝ｎuｍ＋１；temp＿datａ［1］〈＝pｓ2_dａta;end４'ｄ3:ｂeｇinｎｕｍ＜=nｕm＋1；tｅmp_dａta［2］〈=ps2_dａta;ｅｎd4'd4:ｂegｉnｎum〈=ｎum+1；tｅmp_data［3］＜=pｓ２_daｔａ；eｎd4’d5：begiｎnum<＝num＋1;ｔemｐ_datａ[4]＜=ｐｓ２_ｄata；eｎｄ４'ｄ6：beginnuｍ<=ｎum＋１;ｔｅｍｐ_ｄatａ［5]<＝ps2_dａｔａ；ｅnd４'ｄ７:begｉnnuｍ<＝ｎum+1；ｔｅmp_ｄaｔa［６]〈＝ｐｓ2_daｔa；enｄ４'d８：begiｎnum〈=num＋1；ｔeｍp_data［7]〈＝pｓ２_dａta;enｄ４＇d9:nuｍ<=num+1；4'd10：num〈=０；ｄefaulｔ:;ｅｎｄcaｓｅend／/¼ì²âÊÇ·ñËÉÊÖregkey＿ｆ0;ａlwayｓ＠（posedｇeclkornｅｇedgｅrst_n)if（!ｒst＿n)key＿f０〈=０;elseiｆ（num==4’d1０)／/¸Õ´«ÍêÒ»¸ö×Ö½ÚµÄÊý¾Ýbｅginif（ｔemp_ｄａta==８＇hｆ0)ｋeｙ＿f０＜=1;eｌｓebeｇinｉｆ（!key＿ｆ0）//?？ｐs2＿ｂｙte_r＜=ｔｅmｐ_datａ；eｌｓe／/??key_f０＜=0；eｎｄenｄ//ÕÒ³ö¶ÔÓ¦µÄASＣＩIÂëｒeｇ[7：0]pｓ2_ａｓc；alｗayｓ＠（ｐs2_bｙte＿r）case（ｐs２_ｂyｔｅ_r)8’h15:pｓ2_asc〈＝8'h5１;/／Q８’h1d:pｓ2_ａsc＜=８＇h57;/／W8'ｈ2４:ｐs2＿asｃ<＝8＇h4５;/／Ｅ8'h２d：ｐs2＿ａsｃ＜=8'h52;/／R8'h２c：ｐs２_ａsc〈=8＇ｈ５4;/／Ｔ8'ｈ３5：ps２_asc〈=8’h59;／／Y８’h3c:ps2＿ａsc〈=８＇ｈ５５；/／U８’h4３:ｐｓ2_asｃ<＝8'h４９；/／I8'h4４:ps2_aｓｃ〈＝8＇h４ｆ;／／O8＇ｈ４d：ｐｓ2_asc<=8’h50；//P8'ｈ１c：ps2_asｃ〈=8＇h4１;//A８＇h1b：ｐs2_asｃ〈=8'h5３;//Ｓ8＇h23：pｓ2_asｃ＜=８＇h４4;//Ｄ8'h2ｂ：ｐs２_asc〈=８＇h４６；//F8'ｈ34：ps2_ａｓｃ〈=8'h47;//G8'ｈ33：ｐｓ2＿asc〈＝8'h４８；／／H8'h3b:pｓ２_asｃ〈=8’h４ａ；/／J8＇ｈ4２:ｐs2＿asｃ＜＝8’h4b；//Ｋ８’h４ｂ：ps2_asc<=8’ｈ4c；//L8’ｈ1a：ｐs2＿asc<＝8＇h5a;//Z８'h２2:ps2＿aｓｃ<=8＇h５8；/／X8＇ｈ２１:pｓ2＿asｃ＜=8’h4３;/／Ｃ8'h2ａ:pｓ２_asc＜=8＇h5６；/／Ｖ８’h３2：ｐs2_aｓc<=8＇ｈ４2;//Ｂ8’h31:pｓ２_ａsc<=8＇h４ｅ；//N8’h３a：pｓ2_asｃ<=8＇ｈ4d;//Ｍendcase／／½«¶ÔÓ¦µÄAＳCIIÂëËͳöassｉｇnｐs2＿ｂｙｔe=ps２_asc;eｎｄｍodｕlｅ／／////／／///／///////／／///／／／／／／///////／///／／//／／//／/////／////////／/／／////////／／////modｕleｄｉｇiｔron（cｌk,ｒｓt_n,ｓm_ｃs１,ｓｍ＿cs2,sm＿cs3,ｓm_ｃs4,sm_db，ｐs２_byｔe);inｐutclｋ，rst_n；ｉnpｕt［7：0]ps2_byte；outｐｕtsｍ_cs1,ｓｍ_cs2,sm_cs3,sm_ｃｓ4;output［６:0］sm＿ｄb;//¼ÆÊý£¬２^24＝1６*１0＾6;¼´１6＊10＾6＊２０ns=０．３２s=32０msrｅｇ［1９:０］ｃnt；ａｌwayｓ＠（posedｇeｃｌkｏrｎｅｇｅdｇerst_n）if（！rst＿n）ｃnt＜=25＇b0；eｌseｃnt〈=ｃnt+1’ｂ1；reg［3：0］sｈi,ｇe；alｗays@（ｐoｓedgeclkornｅgedｇeｒsｔ＿n)iｆ(!rsｔ_ｎ)bｅginｓhi＜=4’d０；ge<=４＇d０；endelseif（ｃnt＝=19'hf_ｆfff）bｅginｓhi<＝ps２_bｙｔｅ/1６；ge<=pｓ2_ｂyｔe%16;endparameｔeｒseg0=7’ｈｃ０，ｓeｇ１=7’ｈf9，sｅｇ２＝7’ｈａ4，sｅg3＝7'ｈｂ0，seg4=７＇h９9,ｓeg5=7'h92,seg6＝7'h82，ｓｅｇ7=７＇hf８,seg8=７＇h80,ｓeg9＝７’h90,sｅga=7＇h８8，sｅgb=7'h8３，ｓegc=7’ｈc6，ｓegd＝7'hａ1，sｅｇe=7’h８6，segｆ=７’h8e；//ｓeｇf＝7＇hｆf；reg［３:０］nｕｍ;reg［６:0]ｓｍ_dbｒ;alwaｙｓ＠(nuｍ）case（nuｍ)4＇h0:sm_ｄｂr<=ｓｅg0;４’ｈ1:ｓｍ_ｄbr〈＝seg１；4'h２：sm_dｂｒ〈＝seｇ２;4＇h3:sm＿dｂr＜=ｓeｇ3；4'h4：sｍ＿dbｒ〈＝ｓeg4；4'ｈ5:sｍ＿ｄｂｒ＜=ｓeg５；4＇h6：sm＿dｂｒ<＝ｓｅg6;4’ｈ７：sｍ＿dbr〈＝ｓeg7;４’ｈ８：sm_dｂｒ<＝seｇ8;4＇h９：sｍ＿dbｒ〈＝sｅg9；４’hA：sm_dｂr〈=sega；4'hB:sm_dbr＜＝sｅgb;４’hＣ：sm_dbｒ<＝ｓeｇc;4＇hＤ：sm_ｄbr〈=segｄ;４＇ｈE:ｓm＿dbr＜＝ｓegｅ;４'hＦ：sｍ_ｄbｒ＜＝ｓegf；ｄefault:;endcaseａssignsm_db=sｍ_dbr；ｒeｇsm＿ｃs2_r，sｍ_cs1_r；alｗays@(ｃｌkorshｉｏｒgｅ）ｂｅgｉniｆ（cｎt［1９］）beｇｉnｓｍ＿cｓ2＿r=０;sm_cｓ１_r=1；