《武汉工程大学学报》 2012年2期
63-66
出版日期：2012-03-10
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
键盘接口协议在输入输出芯片中的应用
0引言 在工业生产和自动化控制中，因环境或设计的需要，控制设备和终端之间往往需要相隔一定的距离.如在高温现场，一些设备不适宜设置在现场，将设备放置在远离现场的位置，将输入输出界面通过技术手段放在现场实现对现场的更好控制.又如在控制系统中，为便于管理，将主机统一存放，输入输出设备通过技术手段远离机房.这些技术手段包括KVM(Keyboard,Video,Mouse.即键盘、显示器、鼠标的简写)设备、信号加强器、无线通信设备等.产生如文献［1-2］的应用解决方案或研究，本文从解决项目实际问题的角度出发，对基于W83627的一款控制设备在遵循PS/2协议(Personal System，由IBM公司推出的第二代电脑系统中提出的外部设备的接口协议)下的PS/2设备100 m延长线不能正常使用的问题进行研究，着重于解决实际问题并进行必要的分析.1W83627简介 W83627［3］是台湾华邦（Winbond）公司设计和生产的I/O（输入/输出）接口芯片系列产品之一.采用LPC（Low Pin Count）接口技术，支持英特尔公司生产的系列芯片组.该芯片接口提供相对较少的I/O引脚数同时能保持一定的I/O接口芯片性能.为实现与ISA接口的对应，有40只PIN脚作为接口可以用来实现ISA总线下的一些功能.在W83627芯片上，可挂载PS/2设备、软盘驱动器、串口以及并口等.其结构框图如图1所示，从图1中可知，该I/O芯片连接的设备较多，形象的将此类芯片称之为“Super I/O”. 同时，W83627芯片完全符合微软公司提出的PC98/PC99硬件设计指南以及PC98/PC99中的电源和设备管理规范.图1W83627结构框图
Fig.1W83627 structure diagram W83627中与本文研究相关的PS/2（键盘与鼠标）控制器有如下特点：1）适合在Intel 8042单片机的基础上与相关的控制架构（如凤凰公司的MultiKey/42TM结构）结合实现的键盘或者提供存储空间（2 k字节可编程ROM以及256字节的RAM）实现客制化的键盘.2）有2个异步访问数据寄存器和一个状态寄存器以及8位定时器/计数器.3）具备Intel 8042单片机的软件兼容性，支持PS/ 2鼠标.4）提供中断和轮询两种模式并支持二进制运算和BCD（二进制与十进制转换）码运算.5）其支持的工作频率有：6 MHz、8 MHz、12 MHz或16 MHz.2PS/2协议 1987年，IBM公司提出PS/2协议，该协议可支持84-101类型的键盘.在物理接口上采用的是6pin针脚的mini-DIN连接器，与之前的5pin针脚的连接器不相同.其可用的pin脚定义依然不变，即：数据线（DATA），接地（GND），电源（+5 V），时钟信号（CLK）.在PS/2设备中有主从之分,一般的，主设备采用“母接口”形式的插座,从设备采用“公接口”形式的插座. 当前使用的普通PS/2设备（键盘和鼠标）一般选择工作在从设备方式下，PS/2设备采用双向同步串行协议，它要求总线空闲时接口的时钟与数据线都是集电极开路（高电平）,必须外接上拉电阻，而上拉电阻可设置在主设备中，可参考图2的示意图（图2中的R1、R2、R3及R4都采用5 kΩ的电阻，通过单片机来实现对鼠标或键盘功能的实现）.主从设备之间数据通信时，若主机需要发送数据，须先将时钟拉低以禁止从设备端的通信，通信完成后主机再拉低数据线，释放时钟；若从设备需要发送数据时，先检查时钟信号线，为高时（至少持续50 ms）写一个bit到数据线上,时钟为低电平时，主机从数据线上读取刚刚写入的bit.主机对总线拥有最高的控制权，在任何时候将时钟线拉低一定的时间就可以禁止通信，其具体的通信时序图可参考文献［4-5］.图2主从设备示意图
Fig.2Master\|slave equipment diagram第2期蔡琼，等：键盘接口协议在输入输出芯片中的应用
武汉工程大学学报第34卷
3设备升级带来的问题及解决方案 某项目的控制设备由VIA（威盛）公司的南北桥产品升级为Intel（英特尔）公司的南北桥产品（参考图3），由于VIA的南桥可直接连接PS/2设备，而该款Intel的南桥不能直接连接PS/2设备，因此新的设备中加入W83627芯片，用以连接PS/2设备.设备升级后带来系统处理速度以及整体性能的提升，但也有新的问题，升级之前的产品加100 m延长线后PS/2设备可正常识别和使用，升级后的产品则不能正常使用（除升级的产品外，其它设备和环境没任何改变）.
图3升级前后架构
Fig.3Upgrade architecture before and after3.1问题分析 两款产品在设计阶段均遵循PC98/PC99硬件设计指南和相关的通信协议，在PS/2设备连接方面也遵循PS/2协议，在电路设计时都采用的典型电路，如图4所示，其上拉电阻R1~R4采用的是4.7 kΩ，与PS/2协议模型建议的值（5 kΩ）不相上下.是什么原因造成相同的电路设计和遵循相同的协议规范，却产生不同的结果.其根本原因是：W83627芯片连接的PS/2设备（从设备）在添加了100 m延长线后的数据信号或时钟信号未能有效的到达主机板（主设备）上，从而导致了键盘和鼠标不可用.也就是说，从设备与主设备的通信无法正常进行，造成这一现象的潜在因素可能是：1）100 m延长线信号衰减太大；2）VIA芯片采用的BGA(Ball Grid Array,球状矩阵排列)封装，而W83627采用的是QFP(Quad Flat Packing,方块平面封装)封装，两种不同的封装使其驱动性能不同；3）主设备（主机）PCB布线不相同.
图4PS/2设备典型电路
Fig.4The typical circuit of PS/2 equipment3.2解决方案 根据3.1的分析，提出以下解决方案：方案一：在100 m延长线中间添加中继器方案二：采用KVM延长器方案三：修改主设备的上拉电阻，增强驱动性能（即信号强度）方案一和方案二在一些文献上已有体现［6］，且在商业应用中也较为成熟，都有成熟的产品在市场市场上销售，在此不作过多的讨论，以下着重讨论方案三的解决思路.鉴于图2与图4的电阻取值，借用最优化方法中的一维搜索思路进行实验，步骤如下： ①设定上拉电阻取值的上限与下限； ②选定所电阻取值的跨度（理解为搜索步长）； ③从上限开始按电阻取值的跨度向下取值实验；（或从下限开始按电阻取值的跨度向上取值实验） ④是否找到满意的电阻取值， 否，减小电阻取值的跨度，转向步骤②； 是，结束实验.按照上述步骤进行实验，将初值范围设定在330 Ω到4.7 kΩ，电阻取值的跨度取200 Ω，通过实验，得到两个电阻取值使键盘鼠标正常工作的取值，即1 kΩ和1.2 kΩ.这样将图4中的连接时钟信号和数据信号的上拉电阻改为1 kΩ或1.2 kΩ即可.
3.3测试与分析 一般的，产品在设计或改动以后，需要进行测试（分为白盒测试和黑盒测试），上面的电阻值修改完后，对键盘和鼠标的基本功能（如：各种按键和组合功能）可否正常使用称之为“黑盒测试”.而对相关的信号是否符合对应的标准（如：本研究中的改动是否符合PS/2协议）进行的测试称之为“白盒测试”. 黑盒测试的测试手段和方法相对简单，经过测试，其关键的功能键和基本功能键均可正常使用.对PS/2协议中规定的几个关键信号利用仪器进行测试，其结果如图5所示.图5白盒测试组图
Fig.5Photos of white-box testing图5（a)表示时钟信号低电平持续时间，PS/2协议的取值范围是30～50 μs，实际测量值32.86 μs.图5（b)表示时钟信号低电平持续时间，PS/2协议的取值范围是30～50 μs，实际测量值32.87 μs.图5（c)表示从禁止外设发送到主机开始发送（即时钟信号下降沿到数据下降沿信号），PS/2协议的取值范围不小于60 μs，实际测量值63.49 μs.图5（d)表示数据下降沿到时钟下降沿，PS/2协议的取值范围是5～25 μs，实际测量值 18.2 μs.图5（e)表示数据上升沿到时钟下降沿，PS/2协议的取值范围是5～25 μs，实际测量值 16.98 μs.由上述可知，其黑盒测试和白盒测试均符合相关的标准，因此，针对该项目中的100 m延长线（特定线材）有图6的取值范围（1~1.2 kΩ）可为以后的设计和开发所借鉴.图6特定线长下的电阻取值范围
Fig.6The resistance value range under specific line length 针对三种方案的各自特点，对费用、项目实施等进行比较总结如表1所示.
表1三种解决方案比较
Table 1Comparison between three kinds of solutions
方案特点费用实施难度附加功能一原理简单、
产品成熟一般较难无二原理较复杂、
产品成熟较贵容易有三原理简单、实验
测试与验证可以忽
略不计容易无通过表1可知，方案三在费用和实施难度上来说具有一定的优势，当然，其获取适当的电阻值是需要一定的人力和物力的.
4结语 100 m延长线后连接PS/2设备无法正常使用的工程问题，可以应用市场上的一些解决方案.但在项目实施和费用上，存在着一些不足，从解决项目实际问题的角度出发，了解W83627芯片特性和PS/2协议的特点后，对上拉电阻值进行适当的修改，使PS/2设备可正常使用.其得出的模型（见图6）可以作为将来在处理类似问题时的参考依据，同时亦可加深对PS/2协议的理解.参