基于MC68HC05的PS/2键盘接口温度计：嵌入式协议与位操作实战-开发者社区

1. 项目概述与核心价值

在嵌入式开发的早期阶段，资源受限的8位微控制器（MCU）是绝对的主流。那时候没有现成的USB库、没有丰富的通信协议栈，工程师需要直接操作硬件寄存器，用最基础的“位操作”来与外部世界对话。MC68HC05系列正是那个时代的经典代表，以其极致的性价比和可靠性，广泛应用于从家电控制到工业仪表的各种场景。今天要聊的这个“键盘接口温度计”项目，就是一个非常典型的案例：它不依赖任何复杂的通信总线，而是巧妙地“劫持”了PC上最普及的接口之一——PS/2键盘接口，来实现数据采集和上报。

这个项目的核心价值，远不止于测量温度。它本质上是一堂生动的“嵌入式系统通信协议”实战课。你将会看到，如何让一颗简单的MCU理解并模拟复杂的PS/2双向通信协议，如何精确地操作I/O引脚来满足严苛的时序要求，以及如何将传感器数据“翻译”成主机能够识别的键盘扫描码。整个过程充满了底层硬件的乐趣与挑战，对于理解计算机系统如何与外围设备“交谈”有着莫大的帮助。无论你是想重温经典架构，还是学习底层协议的精髓，这个基于MC68HC05J1A和DS1820的设计都能提供丰富的养分。

2. 系统架构与设计思路拆解

2.1 整体方案选型：为什么是PS/2键盘接口？

在为一个简单的温度测量功能选择与PC通信的接口时，我们面临多种选择：串口（RS-232）、并口、USB等。然而，在资源极其有限的MC68HC05J1A上（有限的I/O、内存和时钟速度），这些方案都有其局限性。串口需要额外的电平转换芯片（如MAX232）并占用定时器资源实现UART；并口需要较多引脚；USB协议则过于复杂。

PS/2键盘接口脱颖而出，原因有四：

供电与通信二合一：PS/2接口直接提供+5V电源和地线，省去了为系统单独设计电源的麻烦。
协议相对简单：它是一种同步、双向、半双工的串行协议，只需两根信号线（时钟CLK和数据DATA），非常适合用MCU的通用I/O口通过“位操作”来模拟。
主机兼容性高：任何带有PS/2键盘口的PC（主要是早期的AT架构和PS/2架构PC）都能直接连接，无需安装额外驱动。主机将接收到的扫描码视为键盘按键，兼容性极好。
资源占用极低：实现该协议主要依赖对I/O引脚状态的循环检测和精确的软件延时，对MCU的定时器、中断等资源消耗很小，非常适合MC68HC05这类简单MCU。

因此，选择PS/2接口作为通信桥梁，是一个在成本、复杂度与功能之间取得完美平衡的经典嵌入式设计思路。

2.2 核心模块划分与协作流程

根据应用笔记的描述，整个固件被清晰地划分为三个核心模块，它们像流水线一样协同工作：

激活信号采集模块：这是系统的“监听器”和“握手者”。它持续监控PS/2接口的时钟和数据线，等待来自PC主机的特定“激活序列”。只有正确接收到这个序列，温度计才被“唤醒”并开始工作，否则处于低功耗的监听状态。这避免了设备误触发，也体现了主机对从设备的控制权。
温度采集与转换模块：这是系统的“传感器”。一旦被激活，该模块负责与DS1820单总线数字温度传感器通信，发起温度转换命令，读取原始的9位温度数据，并进行校验和格式转换，为后续的“翻译”工作准备好原料。
键盘接口模块：这是系统的“翻译官”和“发言人”。它接收来自温度模块的格式化数据，将其转换成一串标准的键盘扫描码（例如，温度“25.5”会被转换成‘2‘, ‘5‘, ‘.‘, ‘5‘, 回车等按键的扫描码）。然后，它严格按照PS/2设备到主机的通信协议，通过“位操作”控制I/O引脚，将这串扫描码发送给PC。PC会将其识别为键盘输入，从而在光标所在位置（如命令行窗口）显示出温度值。

这三个模块构成了一个完整的“感知-处理-上报”闭环，逻辑清晰，职责分明。

3. 核心细节解析与实操要点

3.1 PS/2协议的精髓与固件实现策略

PS/2协议是一种基于时钟同步的串行协议。理解其细节是成功实现固件的关键。

通信方向与帧结构：

主机到设备：主机通过拉低时钟线至少100µs来发起通信，然后交替控制时钟和数据线发送数据帧。一帧数据包括：1个起始位（总是0）、8个数据位（LSB先发）、1个奇校验位、1个停止位（总是1）。发送完毕后，设备需要在最后一个时钟周期内将数据线拉低作为应答。
设备到主机：设备通过检测时钟线为高电平时将数据线拉低来请求发送，然后主机通过产生时钟信号来读取数据。数据帧格式相同（起始位、8数据位、奇校验位、停止位），但主机不需要应答。

固件实现的核心挑战与策略：

精确的时序控制：协议对时钟频率（10-16.7 kHz）、数据建立/保持时间（5-25 µs）有严格要求。在MC68HC05上，我们没有硬件SPI或UART，必须用软件循环（NOP指令和循环递减）来实现微秒级的精确延时。代码中的HALF_CLOCK,FULL_CLOCK,DELAY_80µS等延时子程序就是为此而生。计算这些延时循环的次数，需要根据MCU的核心时钟频率（如4MHz）和指令周期数来精确计算。
注意：软件延时易受中断干扰。在本应用中，所有关键通信期间必须禁止中断，以确保时序的绝对准确。
可靠的边沿检测与超时处理：无论是接收还是发送，代码都需要在等待时钟或数据线的上升沿/下降沿。一个设计良好的固件绝不能无限期等待。原文中特别强调了“software timeout loop”的重要性。例如，在READ_COMMAND函数中，每次等待边沿时都有一个计数器递减循环，如果超时（如等待70µs后边沿仍未到来），则置错误标志并退出。这是防止程序“死锁”的必备安全措施。
双向通信的引脚管理：PS/2的数据线是双向开集电极的。这意味着多个设备可以“线与”。在固件中，当MCU作为设备发送数据时，需要将对应的I/O引脚配置为输出模式，并主动拉低或释放（输出高电平，依靠上拉电阻变高）数据线。当MCU监听主机发送时，需要将引脚配置为输入模式以读取电平。代码中通过设置数据方向寄存器（DDRA,DDRB）和操作数据寄存器（PORTA,PORTB）来实现这一切换。

3.2 DS1820单总线通信的实现要点

DS1820是Dallas（现Maxim）的经典单总线数字温度传感器，仅需一根数据线（和地线）即可完成供电和通信。

通信序列：

复位脉冲：主机（MCU）拉低总线至少480µs，然后释放。DS1820会在随后拉低总线60-240µs作为存在脉冲。固件中的RESET_1820函数实现了此过程，并检测存在脉冲以确认传感器在线。
ROM命令：如SKIP ROM(0xCC)，用于跳过寻址，当总线上只有一个器件时使用。
功能命令：如开始温度转换CONVERT T(0x44)，读取暂存器READ SCRATCHPAD(0xBE)。
数据读写：读写操作以“时隙”为单位。写“0”时隙：主机拉低总线60-120µs；写“1”时隙：主机拉低总线1-15µs后迅速释放。读时隙：主机拉低总线至少1µs，然后在时隙早期采样总线电平。

固件实现关键：

严格的时序：DS1820对时隙宽度有严格要求。代码中的WRITE_1820和READ_1820函数，通过精心编排的NOP和DELAY_80µS等延时来满足这些要求。例如，写“1”时隙中，拉低总线后仅执行几个NOP就释放，然后保持高电平直至时隙结束。
电源模式：本项目采用寄生供电模式（传感器从数据线偷电）。在温度转换期间，总线必须被强上拉以提供足够电流。虽然原理图中未明确显示强上拉电路，但在代码执行CONVERT T命令后，需要保持总线为高一段时间（转换时间可达750ms）。固件通过READ_LOOP循环读取，直到DS1820返回非0xFF值，表示转换完成。

3.3 键盘扫描码的转换与发送逻辑

这是将物理量（温度）转化为PC可理解信息的关键一步。

转换流程(FORMAT_TEMP函数)：

数据处理：从DS1820读取的9位温度数据，低4位为小数部分（0或0.5），高5位为整数部分（补码形式）。函数首先判断正负，负数则存储“-”的扫描码并将数值转换为正数。
数值分解：将整数部分分解为百位、十位、个位。由于DS1820量程通常为-55°C到+125°C，百位只可能是‘1‘或没有。代码通过比较和减法来处理百位，然后通过除以10的循环得到十位和个位的商与余数。
查表映射：通过一个预定义的SCAN_TABLE数组，将数字0-9映射到对应的通码扫描码（例如，0x16对应‘1‘，0x1E对应‘2‘）。这是PS/2扫描码集的标准部分。
小数处理：检查最低有效位，判断是否为0.5°C。如果是，则在数字后追加“.”和“5”的扫描码；否则追加“.”和“0”。
构建缓冲区：将上述扫描码依次存入TX_BUFFER，最后添加一个结束符（如0x5A，可能是回车键的扫描码）和一个停止符（0xFF）。

发送逻辑(SEND_TEMP函数)：函数遍历TX_BUFFER，对每个扫描码调用SEND_BYTE。SEND_BYTE是协议实现的核心，它：

暂时断开键盘（通过控制模拟开关4066），独占总线。
调用底层的SEND函数进行“位操作”发送。
检查发送后PC的响应。如果PC在接收过程中检测到奇偶校验错误，它会发送一个RESEND命令 (0xFE)。SEND_BYTE能接收此命令并重发数据，实现了简单的错误恢复机制。
每个字符发送后，有约1ms的延时 (DELAY_500µS循环两次)，模拟人手按键的间隔，避免数据过快被主机丢失或合并。

4. 实操过程与核心环节实现

4.1 硬件环境搭建与引脚分配

要复现或理解此项目，首先需要厘清硬件连接。根据附录A的原理图，我们可以梳理出关键连接：

MCU (MC68HC705J1A):
- PA0 (DATA_OUT): 输出，连接到7407缓冲器，控制PS/2数据线的输出状态。
- PA1 (DATA_IN): 输入，通过4066模拟开关，读取PS/2数据线的状态。
- PA2 (CLOCK_OUT): 输出，连接到7407，控制PS/2时钟线的输出状态。
- PA3 (CLOCK_IN): 输入，通过4066，读取PS/2时钟线的状态。
- PA6 (DQ): 复用为DS1820的单总线数据线。同时通过DQ_CTRL(可能是某个寄存器位控制) 来控制该引脚是推挽输出（驱动总线）还是高阻输入（读取总线）。
- PA4 (BUSY), PA5 (CONTROL): 用于控制4066模拟开关，实现键盘与MCU对PS/2总线的切换。
电平转换与总线管理:
- 7407 (开集电极缓冲器): 用于将MCU的5V CMOS输出电平转换为PS/2接口兼容的开集电极输出，并提供驱动能力。
- 4066 (模拟开关): 是关键的多路复用器。在MCU需要监听主机-键盘通信时，将键盘的CLK和DATA线连接到MCU的输入引脚；在MCU需要模拟键盘发送数据时，将MCU的输出连接到主机的CLK和DATA线，同时断开键盘。
DS1820: 其DQ引脚连接到MCU的PA6，VDD接电源，GND接地。通常需要在DQ线上加一个4.7kΩ的上拉电阻至VCC，原理图中的R6 (10kΩ) 即为此用途。

实操心得：在面包板或万用板上搭建此电路时，务必注意PS/2接口的引脚顺序（5V， DATA， NC， GND， CLK， NC）。连接错误可能损坏MCU或PC端口。建议先使用逻辑分析仪或示波器在真正的PS/2键盘线上抓取通信波形，直观理解协议时序，再着手编写或调试固件。

4.2 固件初始化与主循环剖析

固件的入口是START标签处的代码，这是一个典型的事件驱动型超级循环架构。

START BSR INITIALIZE ; 初始化MCU I/O端口。 WAIT_4_COMMAND JSR CONTACT ; 等待PC联系设备。 JSR ACQUIRE_TEMP ; 如果与PC建立联系，则从DS1820获取温度读数， TST FLAG ; 将其转换为一系列PC键盘扫描码， BNE WAIT_4_COMMAND ; 并发送给PC。 JSR FORMAT_TEMP JSR SEND_TEMP BRA WAIT_4_COMMAND

INITIALIZE: 设置端口A和B的数据方向寄存器。根据原理图，需要将CLOCK_OUT,DATA_OUT,BUSY,CONTROL,DQ_CTRL等引脚设置为输出；将CLOCK_IN,DATA_IN,DQ(读取时) 设置为输入。初始状态应将所有输出引脚置为高电平（对于开集电极控制线，高电平意味着释放/不驱动）。
CONTACT: 这是系统的休眠与唤醒机制。它循环调用READ_COMMAND，试图从主机-键盘的通信流中捕捉特定的“激活序列”。根据描述，这个序列是两个连续的ECHO命令-响应对（主机发送0xEE，键盘回复0xEE）。只有当连续两次完整捕获到这个序列，才认为激活成功，跳出循环。这确保了只有运行了配套PC程序（THERMO.EXE）的主机才能启动温度计，防止误触发。
ACQUIRE_TEMP: 激活后，执行完整的DS1820通信序列：复位->发送跳过ROM命令->发送开始转换命令->等待转换完成->再次复位->发送跳过ROM命令->发送读暂存器命令->读取温度低字节和高字节。每一步都有错误检查（FLAG），任何一步失败都会导致流程终止，返回等待激活状态。
FORMAT_TEMP与SEND_TEMP: 如前所述，进行数据转换和发送。

这种结构清晰、健壮，是嵌入式裸机编程的典范。

4.3 关键通信子程序代码解读

以READ_COMMAND(读取主机到键盘命令) 函数为例，看其如何实现协议解析：

READ_COMMAND CLR FLAG ; 清除返回标志 ... (保存寄存器) LDX #$9 ; 等待数据线下降沿（起始位开始） WAIT4COMMAND BRSET DATA_IN,PORTA,WAIT4COMMAND ; 等待数据线变低 BRSET CLOCK_IN,PORTA,READ_CMD_ERROR ; 如果时钟线为高，继续，否则错误 LDA #$48 WAIT4CLOCKHI BRSET CLOCK_IN,PORTA,STARTBITCLOCK ; 等待时钟线上升（超时计数） DECA BEQ READ_CMD_ERROR BRA WAIT4CLOCKHI STARTBITCLOCK LDA #$D7 ; 等待时钟线下降以采样起始位 WAIT4STARTING BRCLR CLOCK_IN,PORTA,RISINGCLOCK DECA BEQ READ_CMD_ERROR BRA WAIT4STARTING RISINGCLOCK LDA #$0A ; 等待时钟线再次上升 WAIT4RISING BRSET CLOCK_IN,PORTA,GET_BIT DECA BEQ READ_CMD_ERROR BRA WAIT4RISING GET_BIT LDA #$3 ; 延时约10µs后，在时钟高电平中点采样数据位 GET_BIT_DELAY DECA BNE GET_BIT_DELAY BRCLR DATA_IN,PORTA,GET_LOW_BIT ; 判断数据位是0还是1 ... (计算奇偶校验) ROR DATA ; 将数据位移入DATA变量（LSB first） DECX BNE FALLINGCLOCK ; 循环8次，读取8个数据位 ... (后续处理奇偶校验位、停止位、键盘应答位)

这段代码完美诠释了“位操作”通信：它不依赖任何硬件外设，完全通过循环检测I/O引脚电平的变化，并在精确的时刻采样数据。每个等待边沿的循环都带有超时判断，保证了程序的鲁棒性。$48,$D7,$0A,$3这些立即数，都是根据4MHz系统时钟计算出的延时循环次数，以满足协议规定的几十微秒的时序窗口。

5. 常见问题与排查技巧实录

在开发和调试此类底层硬件交互项目时，会遇到一些典型问题。以下是我在实际操作中总结的排查清单：

问题现象	可能原因	排查思路与解决方法
PC程序无法激活温度计	1. 激活序列不匹配。 2. PS/2总线竞争或冲突。 3. 时序不准确，导致帧错误。	1.逻辑分析仪是首选：同时抓取CLK和DATA线，查看PC发送的`ECHO`命令 (`0xEE`) 和键盘的回复波形。确认MCU是否正确识别了这两个连续帧。 2.检查模拟开关控制：确保在监听阶段 (`CONTACT`)，`BUSY`和`CONTROL`信号使键盘连接到主机，MCU仅作为监听者。在发送阶段，MCU应断开键盘并接管总线。 3.校准软件延时：用示波器测量MCU产生的时钟脉冲宽度。根据4MHz时钟（周期0.25µs），调整`HALF_CLOCK`、`FULL_CLOCK`等子程序中的循环计数，使时钟频率落在10-16.7kHz范围内，并确保数据在时钟下降沿附近稳定。
温度读数全为0或固定值	1. DS1820通信失败。 2. 电源或上拉电阻问题。 3. 时序不符合DS1820要求。	1.检查复位存在脉冲：在`RESET_1820`函数后设置断点或通过LED指示，确认MCU能检测到DS1820的拉低应答。如果没有，检查DQ线连接、上拉电阻（R6）是否接好。 2.测量供电电压：在DS1820进行温度转换时（执行`CONVERT T`后），用示波器查看DQ线电压。在寄生供电下，此时应有强上拉（接近VCC），否则转换可能失败。可以考虑在代码中，在转换期间将PA6引脚改为强推挽输出高电平。 3.核对读写时隙：用逻辑分析仪抓取MCU与DS1820的通信波形，对照DS1820数据手册，检查复位脉冲、写“1”、写“0”、读时隙的宽度是否在允许范围内。
PC接收到乱码或部分字符丢失	1. 扫描码转换表错误。 2. 发送时序过快，主机处理不及。 3. 奇偶校验错误导致重发失败。	1.验证扫描码：确保`SCAN_TABLE`中的值与所用键盘的扫描码集（通常是XT或AT集）一致。可以先用一个简单的测试程序，让MCU固定发送字符‘A‘的扫描码 (`0x1C`)，看PC是否能正确接收。 2.增加字符间延时：在`SEND_TEMP`函数中，尝试增加`TX_DELAY`的循环次数，模拟更慢的按键速度。PS/2主机对快速键击的处理能力有限。 3.检查奇偶校验计算：在`SEND`函数中，仔细跟踪`TEMP`变量（用于计算奇偶校验位）的更新逻辑。确保对于每个发送的字节，奇偶校验位计算正确。可以在发送前，将待发数据和计算出的校验位通过调试端口输出，进行验证。
系统运行不稳定，偶尔死机	1. 软件延时被中断打断。 2. 堆栈溢出。 3. 电源噪声或毛刺。	1.关键段禁用中断：在`READ_COMMAND`、`SEND`、`RESET_1820`等对时序要求苛刻的函数入口处，使用`SEI`指令关闭全局中断，退出时再用`CLI`开启。确保定时器中断等不会干扰微秒级延时。 2.检查子程序调用深度：MC68HC05的堆栈深度有限。避免过深的嵌套调用。确保中断服务程序本身尽量简短。 3.加强电源去耦：在MCU和DS1820的VCC与GND之间，尽可能靠近芯片引脚放置0.1µF的瓷片电容（原理图中的C1-C4）。对于DS1820，如果布线较长，可以考虑在靠近其电源引脚处增加一个10µF的电解电容。

最后的个人体会：这个项目虽然基于一个较老的MCU平台，但它所蕴含的“理解协议、精确控制、资源优化”的思想，在今天开发基于ARM Cortex-M0甚至RISC-V的嵌入式系统时依然完全适用。当你用惯了HAL库和Arduino封装好的digitalWrite、Wire库之后，回头来实现一遍这种纯“寄存器+位操作”的驱动，会对“计算机究竟是如何工作的”有更深刻的认识。调试过程中，逻辑分析仪是你的最佳伙伴，它能将抽象的时序协议变成可视化的波形，让一切问题无所遁形。每一次成功让PC屏幕上显示出正确的温度值，都是对底层硬件世界的一次完美对话。