Клавиатура является самым распространенным устройством для ввода информации в компьютер. Поэтому важно знать принцип работы и интерфейс связи клавиатуры.

В данной статье описывается устройство, которое позволяет принимать данные от клавиатуры и отображать нажатые клавиши на устройстве вывода. В качестве примера, мы разработаем простейшее устройство с использованием клавиатуры PS/2, микроконтроллера PIC и семисегментного индикатора.

Идея:

Главной целью данного проекта является создание устройства, способного работать с PS/2 девайсами, а конкретно с PS/2 клавиатурой. Клавиатура будет подключена к микроконтроллеру PIC, который в свою очередь будет обрабатывать коды нажатых клавиш и выводить символы клавиш на семисегментный индикатор. PS/2 - это последовательный интерфейс с тактовым сигналом 10-16 кГц, поэтому в PIC нам надо использовать прерывания, для детектирования заднего фронта импульсов.

Список используемых радиоэлементов:

• Микроконтроллер
• - пятивольтовый регулятор напряжения
• Кварцевый резонатор 20 МГц
• PS/2 коннектор (мама)
• 7-ми сегментный индикатор
• Резисторы
• Дополнительно, потребуется программатор для прошивки PIC, макетная плата и перемычки (ну или протравленная печатная плата).

Схемотехника:

Как видно из принципиальной схемы ниже, устройство очень простое и основные детали это: 78L05, PIC18F452 и PS/2 разъем.

В разъеме PS/2 пины 2 и 6 не используются, 4-ый пин - питание +5В, 3-ий пин - общий. 5-ый пин - тактовый сигнал, а 1-ый пин - данные. 7-ми сегментный индикатор я использовал с общим катодом.

Немного теории о PS/2:

Как уже было сказано выше, в PS/2 используется последовательный протокол передачи информации с двумя линиями: тактовый сигнал и линия данных.

Назначение выводов 6-pin Mini-DIN (PS/2):

1. Данные
2. Не используется
3. Общий (земля)
4. Питание (+5V)
5. Тактовый сигнал
6. Не используется

На рисунке выше показана распиновка PS/2 разъемов папа (слева) и мама (справа). Обычно, разъем типа "папа" используется на стороне устройства - мышь, клавиатура, а разъем типа "мама" на компьютере. В нашем случае (т.к. у нас приемная сторона) мы будет использовать коннектор типа "мама" (можно вырезать с какой-нибудь сгоревшей материнской платы).

Диаграмма сигналов PS/2:

На рисунке выше показана стандартная временная диаграмма выходных данных для PS/2 устройств. Последовательность следующая:

1. Вывод данных устанавливается в низкий логический уровень
2. Вывод тактового сигнала устанавливается в низкий уровень
3. Вывод данных продолжает находиться в низком уровне (стартовый бит)
4. Тактовый сигнал переходит в высокий логический уровень
5. Начинается передача восьми битов с данными
6. Далее идет бит контроля четности
7. А за ним стоповый бит

Все данные принимаются по спаду положительного синхроимпульса.

Скан-коды клавиш:

Каждая клавиша клавиатуры содержит свой уникальный код, т.н. скан-код.

Как видно из картинок выше, большинство клавиш клавиатуры содержит 8-ми битные значения (1 байт), однако некоторые клавиши, содержат многобайтовую последовательность.

Рассмотрим пример того, как происходит формирование скан-кодов клавиш. Если на клавиатуре нажимается какая-либо клавиша, то на выходе клавиатуры появляется скан-код нажатой клавишы. Когда клавиша отжимается, то на выходе формируется код 0xF0 и скан-код отжатой клавиши. Т.о. можно определить удерживается ли клавиша нажатой или нет, но нам это пока что не нужно.

На рисунке выше приведена осциллограмма PS/2 при нажатой клавиши "J". Канал 1 (желтый) на осциллограмме это таковый сигнал. Канал 2 (голубой) это сигнал данных. Для наглядности, я нанес вспомогательные линии для детектирования спада синхросигнала.

При данной осциллограмме легко можно определить скан-код нажатой клавиши. Не забываем, что слева находится младший бит (т.е. 0), а справа старший (7 бит). Т.о. в двоичном коде получилось 0011 1011, что в шестнадцатеричном является 0x3B, т.е. это скан-код клавиши "J".

Передача данных в клавиатуру:

Другой функцией PS/2 протокола является передача данных обратно в клавиатуру, к примеру можно подать команду на включение/отключение светодиода Caps Lock, Num Lock и др. Но не будем на этом зацикливаться, т.к. это тема другой статьи.

Собранная схема на макетной плате выглядит следующим образом:

ПО состоит из двух основных частей: главный цикл Main Loop и обработчика прерываний.
В Main Loop происходит прием данных и их обработка для вывода на индикатор. Ну и собственно сам вывод данных.
Часть кода Main Loop:

#include
#include
#include
#include
//7-Segment Display Output
#define number_0 0b01111110
..
...
..
#define letter_a 0b11101110
#define letter_b 0b11111110
..
...
..
void main(void){
TRISC = 0xFF;
TRISD = 0x01;
PORTB = 0x00;
PORTC = 0x00;
//7-Seg LED is Reverse Polarity
PORTD = 0x00 ^ 0xFF;
Delay10KTCYx(10);
INTCON = 0b11000000;
OpenCapture1(C1_EVERY_FALL_EDGE & CAPTURE_INT_ON);
OpenTimer1(TIMER_INT_ON & T1_SOURCE_INT & T1_PS_1_1 & T1_16BIT_RW);
WriteTimer1(0x0000);
while(1)
{
if(buf_ready == 1){
switch(scan_code_buf){
case 0x1C: PORTD = (letter_a ^ 0xFF);
break;
...
....
..
break;
case 0x45: PORTD = (number_0 ^ 0xFF);
break;
case 0x66: PORTD = (delete ^ 0xFF);
break;
default:
break;
}
//Shift Buffer Forward

scan_code_buf = scan_code_buf;
scan_code_buf = scan_code_buf;
scan_code_buf = scan_code_buf;
scan_code_buf = scan_code_buf;
scan_code_buf = scan_code_buf;
scan_code_buf = scan_code_buf;
scan_code_buf_cnt--;
if(scan_code_buf_cnt == 0)
buf_ready = 0;
}
Delay10KTCYx(1);
}
}

Итак, в цикле Main Loop происходит обработка данных, которые поступают в fifo-буфер. В коде, который представлен ниже, происходит прием данных PS/2 по прерыванию, после чего, они помещаются в fifo-буфер. Код 0xF0 игнорируется, нас интересуют только нажатия клавиш. Код прерываний следующий:

Void InterruptHandlerHigh(void) // Declaration of InterruptHandler
{
//Check If TMR1 Interrupt Flag Is Set
if(PIR1bits.CCP1IF){
if(bit_counter < 10){
current_scan_code = current_scan_code >> 1;
current_scan_code += (PORTDbits.RD0*0b10000000000);
bit_counter++;
}
else if(bit_counter == 10){
scan_code_buf=(current_scan_code>>2)&0xFF;
scan_code_buf_cnt++;
buf_ready = 1;
bit_counter = 0;
}
WriteTimer1(0x0000);
//Clear CCP1 Overflow Flag Bit
PIR1bits.CCP1IF = 0;
}
//Check If CCP1 Interrupt Flag Is Set
else if(PIR1bits.TMR1IF){
//Clear Timer1 Overflow Flag Bit
bit_counter = 0;
PIR1bits.TMR1IF = 0;
}
INTCONbits.GIE = 1;
}

Как видно из кода выше, прерывание захвата скан кода и прерывание timer1 используются вместе, чтобы обеспечить "захват" 8-ми бит, т.к. нам не нужны стартовые, стоповые биты и бит контроля четности. Единственное, я не стал отображать такие клавиши как W, N и т.п., т.к. на семисегментном индикаторе сделать это не реально. В архиве по

Факт №1: на современной материнской плате настольного ПК интерфейс PS/2 встречается уже не всегда, а в современных ноутбуках - не встречается вообще.
Факт №2: если USB клавиатура или мышка может быть подключена к разъёму PS/2 простым пассивным переходником, то в обратную сторону такой фокус не проходит.
Как выйти из ситуации, когда нужно подключить старое устройство ввода к USB?

Для этого существуют специальные конвертеры, преобразующие сигнал протокола PS/2 (а фактически - I2C) в USB. Один из таких - сегодня на разборе.
Девайс упакован в простой полиэтиленовый пакет с защёлкой.


После извлечения из пакета его можно расправить во всю длину. Диска с драйверами и ПО в комплекте поставки нет за ненадобностью.


Длина изделия 318 мм по концам разъёмов. Посередине размещается коробочка с преобразователем.


При помощи плоской отвёртки коробочка легко разделяется на две половинки.


Плата преобразователя крупным планом.


На ней размещены микросхема-клякса и SMD конденсатор. Шелкографией нанесены названия контактов, больше никакой информации плата не несёт. Материал её основы - гетинакс.


Для испытания конвертера нашлась клавиатура со встроенным трекболом.


Клавиатура и трекбол объединены общими корпусом и оболочкой интерфейсного кабеля, их электроника совершенно независима.
Факт №3: разъёмы клавиатуры и мыши не взаимозаменяемы!
Подключим разъёмы кабеля к конвертеру.


И подключим сам конвертер к ноутбуку.


Операционная система определяет его как «Составное USB устройство» и ставит драйвер автоматически. После этого клавиатурой и трекболом можно пользоваться.
Но ведь это было слишком просто, не так ли?
Находим в коробке со старым железом мышку.


Вывинчиваем саморез, держащий вместе части корпуса, разбираем мышь и вытаскиваем из неё кабель.


Потом немного думаем, втыкаем кабель обратно в разъём и выпаиваем его из платы.


В той же самой коробке находим тачпад. Как правило, они тоже подключаются по интерфейсу PS/2, о его реализации можно почитать .


Заготавливаем отрезки тонкого провода МГТФ…


… и припаиваем разъём согласно распиновке:


Подключаем конструкцию к ноутбуку, убеждаемся в её работоспособности и роемся в коробке дальше.

Это - тачпад от Dell Latitude CPx.


Довольно мозголомная конструкция, в которой в один шлейф стянуты проводники к тачпаду, трекпоинту, кнопкам, динамикам и микрофону.


Тачпад выпущен фирмой ALPS


По распиновке он отличается от Synaptics.


Паяемся.


Подключаем к ноутбуку и удивляемся чувствительности трекпоинта.


С учётом стоимости готового USB тачпада цена конвертера и несложность подключения к нему сенсора от ноутбука делают вполне оправданной самостоятельную сборку конструкции. Например, вот такой:


Это позволит избавиться от болей в запястье, так как не требуется держать предплечье постоянно закрученным на 90 градусов, как при работе с обычной мышкой.
Вывод: если у Вас завалялся тачпад или проверенная временем механическая клавиатура - это устройство для Вас.