單片機(jī)的無(wú)線鍵盤(pán)設(shè)計(jì)分析

肖桂坤 陳厚 吳旺 嚴(yán)宏為 陳海毅

摘 要：?jiǎn)纹瑱C(jī)使用十分廣泛，利用單片機(jī)設(shè)計(jì)無(wú)線鍵盤(pán)，能夠提高計(jì)算機(jī)外接設(shè)備使用的便捷性。文章首先對(duì)單片機(jī)無(wú)線鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分析，進(jìn)而探討其具體設(shè)計(jì)方法，包括系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)、硬件電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)及鍵盤(pán)軟件設(shè)計(jì)等，以期為單片機(jī)無(wú)線鍵盤(pán)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);無(wú)線鍵盤(pán);設(shè)計(jì)方法

前言：在無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展下，計(jì)算機(jī)附屬設(shè)備無(wú)線化已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要連接電源線、網(wǎng)線、以及音箱、鼠標(biāo)等各種外聯(lián)設(shè)備線，非常麻煩，容易出現(xiàn)接線混亂的問(wèn)題。基于紅外技術(shù)或無(wú)線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線鍵盤(pán)，可以有效解決這一問(wèn)題，推動(dòng)計(jì)算機(jī)的無(wú)線化發(fā)展。

一、單片機(jī)無(wú)線鍵盤(pán)設(shè)計(jì)需求

首先從單片機(jī)的自身特點(diǎn)來(lái)看，較為先進(jìn)的AVR單片機(jī)在PIC和8051系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上，作出了重大改進(jìn)。其內(nèi)嵌的程序存儲(chǔ)器可反復(fù)擦寫(xiě)，便于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和調(diào)試，也可以長(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，內(nèi)容量較大。而且AVR單片機(jī)運(yùn)行速度快，功能相對(duì)完善，單次指令的執(zhí)行速度在50ns左右，耗電量?jī)H為1uA～2.5mA。AVR單片機(jī)的外設(shè)也較為豐富，包括I2C、SPI、RTC、ADC、PWM和看門(mén)狗定時(shí)器等，在安全保護(hù)和密碼保護(hù)機(jī)制的保障下，AVR單片機(jī)具有較好的保密性和抗干擾性。AVR單片機(jī)作為一種較為先進(jìn)的單片機(jī)，也設(shè)計(jì)過(guò)無(wú)線鍵盤(pán)，不過(guò)多數(shù)是基于紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。受紅外技術(shù)通信的限制，無(wú)線鍵盤(pán)和計(jì)算機(jī)之間的有效通信范圍僅為2m以?xún)?nèi)，容易給實(shí)際使用帶來(lái)不便。因此，為了進(jìn)一步完善AVR單片機(jī)的功能性能，本次研究擬采用無(wú)線射頻技術(shù)，通過(guò)為AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)無(wú)線鍵盤(pán)端口，支持無(wú)線鍵盤(pán)與計(jì)算機(jī)的連接，克服紅外技術(shù)僅能夠在短距離通訊的缺點(diǎn)[1]。

二、單片機(jī)無(wú)線鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)方法分析

（一）系統(tǒng)組成

AVR單片機(jī)內(nèi)部擁有32個(gè)通用寄存器，34個(gè)中斷源，數(shù)據(jù)處理和指令相應(yīng)速度都非常快。由于其內(nèi)部設(shè)置有上電啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，系統(tǒng)復(fù)位上電后，可延遲MCU執(zhí)行程序的時(shí)間，其目的是等到系統(tǒng)電源和外部電路穩(wěn)定后再開(kāi)始工作，以確保單片機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。單片機(jī)無(wú)線鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)，也需要從單片機(jī)特點(diǎn)出發(fā)，保證無(wú)線鍵盤(pán)的適用性。無(wú)線鍵盤(pán)系統(tǒng)主要由常規(guī)102鍵ps/2鍵盤(pán)和兩個(gè)AVR單片機(jī)組成，此外，還包含一個(gè)發(fā)射裝置和一個(gè)接收裝置。無(wú)線鍵盤(pán)總體可分為兩大部分，其一是計(jì)算機(jī)端，包括計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和接收裝置，其二是鍵盤(pán)端，包括鍵盤(pán)、單片機(jī)和發(fā)射裝置。其中，計(jì)算機(jī)端的單片機(jī)負(fù)責(zé)連接計(jì)算機(jī)和接收裝置，鍵盤(pán)端的單片機(jī)負(fù)責(zé)連接鍵盤(pán)和發(fā)射裝置，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的通訊功能[2]。

（二）硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，可分為計(jì)算機(jī)端電路和鍵盤(pán)端電路兩部分進(jìn)行。其中，計(jì)算機(jī)端電路中的計(jì)算機(jī)采用6針標(biāo)準(zhǔn)接頭連接單片機(jī)，同時(shí)為單片機(jī)及射頻接收裝置供電。單片機(jī)PORTA第5引腳連接時(shí)鐘線，第4引腳連接數(shù)據(jù)線。需要為這兩個(gè)引腳設(shè)置上拉電阻輸入端口，確保空閑時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線能夠被拉到高電平。此外，PORTA第7引腳要串聯(lián)一個(gè)510Ω電阻，然后與時(shí)鐘線連接，第6引腳同樣串聯(lián)一個(gè)510Ω電阻，與數(shù)據(jù)線連接。在此情況下，可以利用第7和第6引腳將數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線下拉到低電平。采用這種設(shè)計(jì)方法可防止第4和第5引腳短接到地導(dǎo)致引腳被燒毀。在此基礎(chǔ)上，采用射頻接收裝置負(fù)責(zé)接收無(wú)線鍵盤(pán)信息，然后發(fā)送到單片機(jī)。

鍵盤(pán)端電路設(shè)計(jì)采用6針標(biāo)準(zhǔn)插座連接單片機(jī)，單片機(jī)PORTD第7引腳連接數(shù)據(jù)線，第17引腳連接時(shí)鐘線，即將時(shí)鐘線連接在單片機(jī)外部中斷端口上，當(dāng)其出現(xiàn)下降沿信號(hào)時(shí)，會(huì)觸發(fā)外部中斷。單片機(jī)將接收到的1位數(shù)據(jù)通過(guò)TXD引腳發(fā)送給射頻發(fā)射裝置，由射頻發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)端，完成一次通訊過(guò)程。

（三）軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)無(wú)線鍵盤(pán)的軟件設(shè)計(jì)同樣分為計(jì)算機(jī)端和無(wú)線鍵盤(pán)端兩個(gè)部分。首先從應(yīng)用需求來(lái)看，軟件功能應(yīng)包含數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)接收處理和發(fā)送等。因此要為系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接收、發(fā)送、顯示程序等。可采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，總體采用模塊化設(shè)計(jì)方法，確保各功能模塊相對(duì)獨(dú)立，方便以后的功能維護(hù)及擴(kuò)展。從計(jì)算機(jī)端軟件設(shè)計(jì)情況來(lái)看，單片機(jī)軟件的主要功能是從UART口進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包含一串0xAA初始化字節(jié)流，接收裝置可自動(dòng)調(diào)節(jié)增益，完成輸入數(shù)據(jù)處理工作。初始化字節(jié)流之后是0xFF字節(jié)，代表下一個(gè)字節(jié)為有效數(shù)據(jù)。在利用軟件進(jìn)行處理時(shí)，要不間斷的查詢(xún)UART，確定是否有新的接收數(shù)據(jù)，然后利用狀態(tài)機(jī)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。

鍵盤(pán)端的軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)完成兩項(xiàng)任務(wù)，其一是在鍵盤(pán)讀取數(shù)據(jù)，其二是將讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送至信號(hào)發(fā)射裝置。其中，鍵盤(pán)讀取數(shù)據(jù)主要是通過(guò)采集敲擊前盤(pán)時(shí)產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)變低，則響應(yīng)中斷，自動(dòng)從數(shù)據(jù)線上讀取1字節(jié)的數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)讀取的準(zhǔn)確性，可采用接收裝置的增益控制功能，同樣設(shè)置0xAA初始化字節(jié)流和1個(gè)0xFF字節(jié)。并采用定時(shí)器跟蹤數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間，若未在25毫秒內(nèi)成功發(fā)送，則發(fā)射裝置循環(huán)發(fā)送0xAA和0xFF。通過(guò)采用上述軟硬件設(shè)計(jì)方案，可由單片機(jī)接口和普通ps/2鍵盤(pán)構(gòu)成無(wú)線鍵盤(pán)，由于采用射頻技術(shù)，能夠克服短距離通訊的缺點(diǎn)，并完整實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和指令傳輸過(guò)程。

結(jié)束語(yǔ)：綜上所述，單片機(jī)無(wú)線鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)能夠滿足鍵盤(pán)輸入的基本功能需求，在射頻技術(shù)的支持下，通過(guò)無(wú)線鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)和指令，不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題，穩(wěn)定性較強(qiáng)，時(shí)延較低，基本達(dá)到了單片機(jī)無(wú)線鍵盤(pán)設(shè)計(jì)的各方面要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉濤，劉娜.單片機(jī)的無(wú)線鍵盤(pán)設(shè)計(jì)探究[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（02）：207.

[2]肖趙棟，馬朝興，郝莉.一種實(shí)用的無(wú)線鍵盤(pán)鼠標(biāo)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（08）：93-95.