FPGA學(xué)習(xí)系列：25. PS2通信電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)背景：

PS2接口是一種PC兼容型電腦系統(tǒng)上的接口，可以用來鏈接鍵盤及鼠標(biāo)。PS2的命名來自于1987年時(shí)IBM所推出的個(gè)人電腦：PS/2系列。PS2的鍵盤和鼠標(biāo)在電氣特性上十分類似，主要差別在于鍵盤接口需要雙向的溝通。PS2接口不支持熱插拔，使用時(shí)需要關(guān)機(jī)插上，目前已逐漸被USB所替代，只有少部分臺(tái)式機(jī)仍然提供PS2接口。

設(shè)計(jì)原理:

PS2的接口如下圖所示：

上圖中，1是數(shù)據(jù)線DATA；2是預(yù)留N/C；3是GND；4是VCC（+5V）；5是時(shí)鐘信號(hào)線CLK；6是預(yù)留N/C。

PS2原理電路圖如下：

PS2協(xié)議總共由兩根線組成，從電路原理圖中也可以看出，需要控制的只有PS2_CLK和PS2_SDA，即一根時(shí)鐘線和一根數(shù)據(jù)線。PS2設(shè)備中的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)都是集電極開路的，平時(shí)都是高電平。本設(shè)計(jì)將采用PS2接口的鍵盤稱為從機(jī)，將控制和解碼PS2協(xié)議的一方稱為主機(jī)（FPGA）。PS2協(xié)議的時(shí)鐘線始終由從機(jī)（即鍵盤）產(chǎn)生的，PS2協(xié)議發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)共有11位。時(shí)序如下圖所示:

1Bit起始位，總是0；8Bit數(shù)據(jù)位，低位在前；1Bit校驗(yàn)位，奇校驗(yàn)；1Bit停止位，總是1。

從機(jī)（鍵盤）按照這個(gè)時(shí)序發(fā)送數(shù)據(jù)，主機(jī)（FPGA）只需要實(shí)現(xiàn)該協(xié)議的解碼，即可將其中的8Bit數(shù)據(jù)位提取出來。根據(jù)時(shí)序圖可以看出，數(shù)據(jù)在PS2時(shí)鐘的下降沿是保持穩(wěn)定的，主機(jī)只需在檢測(cè)到PS2時(shí)鐘出現(xiàn)下降沿時(shí)，去讀取數(shù)據(jù)線上的電平，就可得到正確的數(shù)據(jù)。

通過上述的內(nèi)容，已經(jīng)知道了PS2從機(jī)到主機(jī)的通信協(xié)議，接下來就需要知道從機(jī)發(fā)送過來的每個(gè)字節(jié)代表什么？這時(shí)就要對(duì)照鍵盤編碼表進(jìn)行查看。鍵盤上一個(gè)按鍵由按下到釋放時(shí)，鍵盤是按照如下的規(guī)定向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的：

只要一個(gè)按鍵被按下，這個(gè)鍵的通碼（MAKE）就會(huì)被發(fā)送到主機(jī)，按鍵一被釋放，斷碼（BREAK）也會(huì)被發(fā)送，如果按鍵被按下不釋放的話，鍵盤會(huì)以一定的頻率發(fā)送那個(gè)按鍵的通碼。每個(gè)按鍵都有自己唯一的通碼和斷碼，從而組成鍵盤編碼表，表上的碼值為16進(jìn)制：

例如，如果鍵盤上‘A’鍵被按下時(shí)，鍵盤就會(huì)向主機(jī)發(fā)送‘A’鍵對(duì)應(yīng)的通碼‘1C’，直到按鍵被釋放。在按鍵被釋放后，鍵盤將會(huì)向主機(jī)發(fā)送‘A’鍵的斷碼，即首先發(fā)送‘F0’，然后下一個(gè)字節(jié)發(fā)送‘1C’。通過觀察鍵盤編碼表，可以發(fā)現(xiàn)按鍵的通碼與斷碼存在一定的聯(lián)系，多數(shù)斷碼的第一個(gè)字節(jié)是‘F0’，第二個(gè)字節(jié)則是這個(gè)鍵的通碼。

如果按下鍵盤上的擴(kuò)展按鍵時(shí)，如‘END’，當(dāng)‘END’鍵被按下后，鍵盤會(huì)首先向主機(jī)發(fā)送‘E0’，然后發(fā)送‘F0’，最后再發(fā)送‘69’。 根據(jù)上述的分析可知，在主機(jī)（FPGA）解碼一次數(shù)據(jù)后，還需要對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，判斷該數(shù)據(jù)是否為斷碼標(biāo)志‘F0’以及擴(kuò)展碼標(biāo)志‘E0’。

設(shè)計(jì)架構(gòu)圖:

本設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)在PS2鍵盤上按下26個(gè)字母任一個(gè)，在數(shù)碼管上顯示其對(duì)應(yīng)的ASCII碼。架構(gòu)圖如下：

ps2scan模塊是根據(jù)PS2的時(shí)序協(xié)議，將鍵盤的按鍵值譯成一個(gè)8位的數(shù)據(jù)（out_data）輸出；ASCII模塊，根據(jù)ASCII表，將數(shù)據(jù)與字母一一對(duì)應(yīng)；seg_num模塊將相應(yīng)的數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示。

設(shè)計(jì)代碼:

ps2scan模塊代碼：

0moduleps2scan (clk,rst_n,ps2_sclk,ps2_sda,out_data);

1

2//端口信號(hào)：模塊的輸入輸出接口

3inputclk;//系統(tǒng)時(shí)鐘

4inputrst_n;//低電平復(fù)位

5inputps2_sclk;//ps2時(shí)鐘信號(hào)（ps2設(shè)備自動(dòng)產(chǎn)生，大約10KHz左右）

6inputps2_sda;//ps2數(shù)據(jù)信號(hào)

7outputreg[7:0]out_data;//鍵值數(shù)據(jù)（采集ps2的一幀信號(hào)中間的8位有效位）

8

9//在發(fā)送時(shí)序中，數(shù)據(jù)在ps2_sclk的下降沿采集信號(hào)，以下為檢測(cè)下降沿

10regin1,in2;

11wireen;

12

13always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

14begin

15if(!rst_n)

16begin

17in1 <=1'b0;

18in2 <=1'b0;

19end

20else

21begin

22in1 <=ps2_sclk;

23in2 <=in1;

24end

25end

26

27assignen =(~in1)&in2;//當(dāng)出現(xiàn)ps2_sclk下降沿后拉高一個(gè)時(shí)鐘，以進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集

28

29

30//采集ps2的一幀信號(hào)中間的8位有效位:每檢測(cè)一個(gè)下降沿算一位數(shù)據(jù)位，在中間8位采集有效數(shù)據(jù)

31reg[7:0]temp_data;

32reg[3:0]num;

33

34always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

35begin

36if(!rst_n)

37begin

38num <=4'd0;

39temp_data <=8'd0;

40end

41elseif(en)

42case(num)

434'd0:num <=num+1'b1;//開始位

444'd1:begin

45num <=num+1'b1;

46temp_data[0]<=ps2_sda;//bit0

47end

484'd2:begin

49num <=num+1'b1;

50temp_data[1]<=ps2_sda;//bit1

51end

524'd3:begin

53num <=num+1'b1;

54temp_data[2]<=ps2_sda;//bit2

55end

564'd4:begin

57num <=num+1'b1;

58temp_data[3]<=ps2_sda;//bit3

59end

604'd5:begin

61num <=num+1'b1;

62temp_data[4]<=ps2_sda;//bit4

63end

644'd6:begin

65num <=num+1'b1;

66temp_data[5]<=ps2_sda;//bit5

67end

684'd7:begin

69num <=num+1'b1;

70temp_data[6]<=ps2_sda;//bit6

71end

724'd8:begin

73num <=num+1'b1;

74temp_data[7]<=ps2_sda;//bit7

75end

764'd9:num <=num+1'b1;//結(jié)束位

774'd10:num <=4'd0;

78default:;

79endcase

80end

81

82//判斷是否有鍵按下：根據(jù)通碼、斷碼的特性判斷

83regkey;

84

85always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

86begin

87if(!rst_n)

88key <=1'b0;

89elseif(num==4'd10)

90begin

91if(temp_data ==8'hf0)

92key <=1'b1;

93else

94begin

95if(!key)

96out_data <=temp_data;

97else

98key <=1'b0;

99end

100end

101end

102

103endmodule

ASCII模塊代碼：

0moduleASCII(out_data,tx_out);

1

2//端口信號(hào)：模塊的輸入輸出接口

3input[7:0]out_data;//鍵盤的掃描鍵值

4outputreg[7:0]tx_out;//通過ASCII碼轉(zhuǎn)換之后的值

5

6//通過查找表的方式，對(duì)照ASCII碼將鍵值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)值

7always@(*)

8case(out_data)

98'h1c:tx_out <=8'h41;//A

108'h32:tx_out <=8'h42;//B

118'h21:tx_out <=8'h43;//C

128'h23:tx_out <=8'h44;//D

138'h24:tx_out <=8'h45;//E

148'h2b:tx_out <=8'h46;//F

158'h34:tx_out <=8'h47;//G

168'h33:tx_out <=8'h48;//H

178'h43:tx_out <=8'h49;//I

188'h3b:tx_out <=8'h4a;//J

198'h42:tx_out <=8'h4b;//K

208'h4b:tx_out <=8'h4c;//L

218'h3a:tx_out <=8'h4d;//M

228'h31:tx_out <=8'h4e;//N

238'h44:tx_out <=8'h4f;//O

248'h4d:tx_out <=8'h50;//P

258'h15:tx_out <=8'h51;//Q

268'h2d:tx_out <=8'h52;//R

278'h1b:tx_out <=8'h53;//S

288'h2c:tx_out <=8'h54;//T

298'h3c:tx_out <=8'h55;//U

308'h2a:tx_out <=8'h56;//V

318'h1d:tx_out <=8'h57;//W

328'h22:tx_out <=8'h58;//X

338'h35:tx_out <=8'h59;//Y

348'h1a:tx_out <=8'h5a;//Z

35default:tx_out <=8'h00;

36endcase

37

38endmodule

seg_num模塊代碼：

0moduleseg_num (clk,rst_n,num,sel,seg);

1

2//端口信號(hào)：模塊的輸入輸出接口

3inputclk;//系統(tǒng)時(shí)鐘50MHz

4inputrst_n;//低電平復(fù)位

5input[7:0]num;//輸入的數(shù)據(jù)

6outputreg[2:0]sel;//數(shù)碼管位選

7outputreg[7:0]seg;//數(shù)碼管段選

8

9

10//計(jì)數(shù)分頻，通過選擇cnt的相應(yīng)位的變化來大致分頻

11reg[23:0]cnt;

12wireclk_r;

13

14always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

15begin

16if(!rst_n)

17cnt <=24'd0;

18else

19cnt <=cnt +1'b1;

20end

21

22assignclk_r =cnt[15];//通過計(jì)數(shù)cnt的第10位來分頻計(jì)數(shù),2^10/50M

23//通過查找表的方式將數(shù)據(jù)與相應(yīng)的數(shù)碼管顯示一一對(duì)應(yīng)

24reg[3:0]data;

25

26always@(*)

27case(data)

284'h0:seg <=8'hC0;//8'b1100_0000

294'h1:seg <=8'hF9;//8'b1111_1001

304'h2:seg <=8'hA4;//8'b1010_0100

314'h3:seg <=8'hB0;//8'b1011_0000

324'h4:seg <=8'h99;//8'b1001_1001

334'h5:seg <=8'h92;//8'b1001_0010

344'h6:seg <=8'h82;//8'b1000_0010

354'h7:seg <=8'hF8;//8'b1111_1000

364'h8:seg <=8'h80;//8'b1000_0000

374'h9:seg <=8'h90;//8'b1001_0000

384'hA:seg <=8'h88;

394'hB:seg <=8'h83;

404'hC:seg <=8'hC6;

414'hD:seg <=8'hA1;

424'hE:seg <=8'h86;

434'hF:seg <=8'h8E;

44default:seg <=8'hFF;//8'b1111_1111

45endcase

46

47//通過查找表的方式，在不同位選下，顯示數(shù)據(jù)的相應(yīng)位

48always@(*)

49begin

50case(sel)

51000:data <=num[7:4];

52001:data <=num[3:0];

53default:;

54endcase

55end

56

57always@(posedgeclk_r ornegedgerst_n)

58begin

59if(!rst_n)

60sel <=3'd0;

61elseif(sel ==3'd1)

62sel <=3'd0;

63else

64sel <=sel +1'b1;

65end

66

67endmodule

top頂層模塊代碼：

0moduletop (clk,rst_n,ps2_sclk,ps2_sda,sel,seg);

1

2//外部接口

3inputclk;//系統(tǒng)時(shí)鐘50MHz

4inputrst_n;//低電平復(fù)位

5inputps2_sclk;//ps2時(shí)鐘

6inputps2_sda;//ps2數(shù)據(jù)

7output[2:0]sel;//數(shù)碼管位選

8output[7:0]seg;//數(shù)碼管段選

9

10wire[7:0]out_data,tx_out;

11

12/*****鍵盤掃描模塊*****/

13ps2scan ps2scan_inst(

14.clk(clk),

15.rst_n(rst_n),

16.ps2_sclk(ps2_sclk),

17.ps2_sda(ps2_sda),

18.out_data(out_data)

19);

20

21/*****數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)ASCII碼模塊*****/

22ASCII ASCII_inst(

23.out_data(out_data),

24.tx_out(tx_out)

25);

26

27/*****數(shù)碼管顯示模塊*****/

28seg_num seg_num_inst(

29.num(tx_out),

30.clk(clk),

31.rst_n(rst_n),

32.sel(sel),

33.seg(seg)

34);

35

36endmodule

top_tb頂層測(cè)試代碼：

0`timescale1ns/1ns

1

2moduletop_tb;

3

4regclk;

5regrst_n;

6regps2_sda;

7regps2_sclk;

8wire[7:0]seg;

9wire[2:0]sel;

10

11top top_dut(

12.clk(clk),

13.rst_n(rst_n),

14.ps2_sclk(ps2_sclk),

15.ps2_sda(ps2_sda),

16.sel(sel),

17.seg(seg)

18);

19

20initialbegin

21clk =1;

22rst_n =0;

23ps2_sda =1;

24ps2_sclk =1;

25

26#200;

27rst_n =1;

28Key_Event(8'h1A);/* Z */

29#40000;

30Key_Event(8'h22);/* X */

31#80000;

32Key_Event(8'h44);/* O */

33#13200;

34Key_Event(8'h4D);/* P */

35#25600;

36Key_Event(8'h24);/* E */

37#12300;

38Key_Event(8'h31);/* N */

39

40#2000000;

41$stop;

42end

43

44/*---------生成工作時(shí)鐘-----------*/

45always#10clk =~clk;

46

47/*----任務(wù)：以PS2協(xié)議發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)-----*/

48taskSend_data;

49input[7:0]data;

50begin

51ps2_sda =0;/*發(fā)送起始位*/

52#20000;ps2_sclk =0;

53#40000;ps2_sclk =1;

54

55#20000;ps2_sda =data[0];/*發(fā)送第0位*/

56#20000;ps2_sclk =0;

57#40000;ps2_sclk =1;

58

59#20000;ps2_sda =data[1];/*發(fā)送第1位*/

60#20000;ps2_sclk =0;

61#40000;ps2_sclk =1;

62

63#20000;ps2_sda =data[2];/*發(fā)送第2位*/

64#20000;ps2_sclk =0;

65#40000;ps2_sclk =1;

66

67#20000;ps2_sda =data[3];/*發(fā)送第3位*/

68#20000;ps2_sclk =0;

69#40000;ps2_sclk =1;

70

71#20000;ps2_sda =data[4];/*發(fā)送第4位*/

72#20000;ps2_sclk =0;

73#40000;ps2_sclk =1;

74

75#20000;ps2_sda =data[5];/*發(fā)送第5位*/

76#20000;ps2_sclk =0;

77#40000;ps2_sclk =1;

78

79#20000;ps2_sda =data[6];/*發(fā)送第6位*/

80#20000;ps2_sclk =0;

81#40000;ps2_sclk =1;

82

83#20000;ps2_sda =data[7];/*發(fā)送第7位*/

84#20000;ps2_sclk =0;

85#40000;ps2_sclk =1;

86

87#20000;ps2_sda =0;/*暫時(shí)忽略校驗(yàn)位*/

88#20000;ps2_sclk =0;

89#40000;ps2_sclk =1;

90

91#20000;ps2_sda =1;/*停止位*/

92#20000;ps2_sclk =0;

93#40000;ps2_sclk =1;

94end

95endtask

96

97/*-----任務(wù)：模擬按下按鍵的操作------*/

98taskpress_key;

99input[7:0]Key_Number;

100begin

101Send_data(Key_Number);

102#50000;

103end

104endtask

105

106/*-----任務(wù)：模擬釋放按鍵的操作------*/

107taskrelease_key;

108input[7:0]Key_Number;

109begin

110Send_data(8'hF0);

111#50000;

112Send_data(Key_Number);

113#50000;

114end

115endtask

116

117/*----任務(wù)：模擬一次短碼的按下和釋放操作-----*/

118taskKey_Event;

119input[7:0]Key_Number;

120begin

121press_key(Key_Number);

122#30000;

123release_key(Key_Number);

124end

125endtask

126

127endmodule

仿真圖:

仿真結(jié)果如下圖：

測(cè)試文件中發(fā)送的‘Z’、‘X’、‘O’、‘P’、‘E’、‘N’等字母，在仿真圖中顯示，通過與ASCII碼表對(duì)應(yīng)，得知是正確的。分配引腳，下板后，數(shù)碼管也得到了與之對(duì)應(yīng)的ASCII碼值。