齊 亮

(南京師范大學(xué)分析測(cè)試中心,南京,210046)

包裝生產(chǎn)線用工控機(jī) PS/2接口的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)

齊 亮

(南京師范大學(xué)分析測(cè)試中心,南京,210046)

為了可靠地遠(yuǎn)程操作食品包裝生產(chǎn)線上的工控機(jī),設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)化 PS/2接口終端,把鍵盤(pán)鼠標(biāo)和工控主機(jī)分離,把外設(shè)和主機(jī)間的 PS/2雙向傳輸數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化,使得鍵盤(pán)和鼠標(biāo)可以遠(yuǎn)程操控主機(jī),并且在不同操作系統(tǒng)的主機(jī)間快速切換。此設(shè)計(jì)方便用戶對(duì)工控主機(jī)的操控,增強(qiáng)了使用的靈活性。

包裝生產(chǎn)線;網(wǎng)絡(luò)化;遠(yuǎn)程操控;PS/2接口終端;單片機(jī)

1 引言

在食品包裝生產(chǎn)線上,各種控制設(shè)備依據(jù)職能分工,對(duì)食品生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行高效準(zhǔn)確的控制。這些控制設(shè)備主控核心是具有特定功能的工控計(jì)算機(jī)。通過(guò)將這些計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)后,管理員可以在主控機(jī)房遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控這些控制設(shè)備[1]。但是,此法需要各控制設(shè)備提供遠(yuǎn)程管理的物理和軟件接口,并需要各控制設(shè)備具有相兼容的監(jiān)控協(xié)議,主控計(jì)算機(jī)才能借助網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理各控制設(shè)備。當(dāng)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題或者工控計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操作失效時(shí),管理員只能進(jìn)入生產(chǎn)線對(duì)控制設(shè)備進(jìn)行直接操作,非常繁瑣。

管理員對(duì)工控機(jī)的操作主要依賴于鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和顯示器。以往工控主機(jī)與鍵盤(pán)鼠標(biāo)以及顯示器相連時(shí),由于信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)衰減,連接線的長(zhǎng)度受到限制,用戶無(wú)法遠(yuǎn)程控制電腦。而網(wǎng)絡(luò)化鍵盤(pán)鼠標(biāo)接口終端能夠解決這一問(wèn)題。

2 PS/2協(xié)議分析

PS/2通信協(xié)議是一種雙向同步串行通信協(xié)議。通信的雙方通過(guò) C lock(時(shí)鐘)腳 5同步,通過(guò)Data(數(shù)據(jù))腳 1交換數(shù)據(jù)。PS/2的數(shù)據(jù)是按幀進(jìn)行傳輸?shù)?每幀數(shù)據(jù)由 1位起始位 (0),8位數(shù)據(jù)位,1位奇效驗(yàn)位,1位停止位 (1)組成。數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)低位在前,高位在后,每一位持續(xù)為60-100μs。主機(jī)在時(shí)鐘的下降沿讀取外設(shè)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù),外設(shè)在時(shí)鐘上升沿讀取主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。無(wú)論是哪端發(fā)送,同步時(shí)鐘都是外設(shè)產(chǎn)生,同步時(shí)鐘最大頻率為 33kHz,一般使用 10-20kHz的頻率[2]。

在鍵盤(pán)鼠標(biāo)上電初始化過(guò)程中,主機(jī)會(huì)基于PS/2協(xié)議和外設(shè)進(jìn)行雙向通訊,對(duì)外設(shè)進(jìn)行配置。PS/2的命令集豐富,除了重發(fā)和回應(yīng)命令字以外,主機(jī)向外設(shè)每發(fā)送一個(gè)命令字,外設(shè)都會(huì)回復(fù)一幀的應(yīng)答數(shù)據(jù) (0xFA)[3]。

3 PS/2接口硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)化鍵盤(pán)鼠標(biāo)接口終端由 PS/2接口模塊和網(wǎng)絡(luò)處理模塊組成。兩模塊間通過(guò)串口相連, PS/2接口模塊把 PS/2信號(hào)轉(zhuǎn)換為串口信號(hào),再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)處理模塊把轉(zhuǎn)換為一定格式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)上。同時(shí),網(wǎng)絡(luò)處理模塊把網(wǎng)絡(luò)中的鍵盤(pán)鼠標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)再通過(guò) PS/2接口模塊轉(zhuǎn)為 PS/2信號(hào)。根據(jù)連接方式的不同,PS/ 2接口模塊分為用戶側(cè)和主機(jī)側(cè)兩種。

3.1 用戶側(cè) PS/2接口硬件設(shè)計(jì)

用戶側(cè)接口終端中的 PS/2接口模塊由單片機(jī)AT89C4051、看門(mén)狗芯片MAX813L以及串口芯片ADM 101E組成,如圖 1所示。單片機(jī)是接口部分的主要芯片,用單片機(jī)的四個(gè) IO口模擬PS/2接口中鍵盤(pán)的時(shí)鐘腳和數(shù)據(jù)腳以及鼠標(biāo)的時(shí)鐘腳和數(shù)據(jù)腳,并把鍵盤(pán)時(shí)鐘信號(hào)線 (KCLK)以及數(shù)據(jù)信號(hào)線(KDATA)和鍵盤(pán)的 PS/2母口相連,把鼠標(biāo)時(shí)鐘信號(hào)線 (MCLK)以及數(shù)據(jù)信號(hào)線(MDATA)和鼠標(biāo)的 PS/2母口相連。因?yàn)殒I盤(pán)和鼠標(biāo)的時(shí)鐘線以及數(shù)據(jù)線都是集電極開(kāi)路輸出,所以在接入單片機(jī)端口時(shí)使用上拉電阻[4]。

圖 1 PS/2接口模塊硬件電路圖

3.2 主機(jī)側(cè) PS/2接口硬件設(shè)計(jì)

主機(jī)側(cè) PS/2接口模塊的硬件芯片和用戶側(cè)相同,和用戶側(cè) PS/2接口電路設(shè)計(jì)不同的是把單片機(jī)上的鍵盤(pán)時(shí)鐘信號(hào)線(KCLK)以及數(shù)據(jù)信號(hào)線(KDATA)和一個(gè) PS/2公口相連,把鼠標(biāo)時(shí)鐘信號(hào)線(MCLK)以及數(shù)據(jù)信號(hào)線(MDATA)和另一個(gè) PS/2公口相連,PS/2公口中的 +5V電源線不引入到接口終端中。接口終端虛擬了一套鍵盤(pán)鼠標(biāo)外設(shè),使用前需把這兩個(gè)虛擬的 PS/2公口接入主機(jī)的 PS/2母口中。主機(jī)在上電后會(huì)檢測(cè)PS/2口是否插入了鍵盤(pán)鼠標(biāo),且鍵盤(pán)鼠標(biāo)是何種類型,所以在使用中,接口終端應(yīng)先于主機(jī)上電,以保證單片機(jī)能夠模擬一套標(biāo)準(zhǔn)的鍵盤(pán)鼠標(biāo)。

4 PS/2接口軟件設(shè)計(jì)

本軟件設(shè)計(jì)基于 KeilC的編譯環(huán)境,運(yùn)行在AT89C4051單片機(jī)上,和接口終端的硬件設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng),分為用戶側(cè) PS/2接口軟件設(shè)計(jì)和主機(jī)側(cè)PS/2接口軟件設(shè)計(jì)。

4.1 用戶側(cè) PS/2接口軟件設(shè)計(jì)

該模塊軟件遵守 PS/2協(xié)議,實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)鼠標(biāo)的PS/2數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)的互轉(zhuǎn)。該軟件分為初始化鍵盤(pán)鼠標(biāo)部分和 PS/2數(shù)據(jù)傳輸部分。

在鍵盤(pán)和鼠標(biāo)上電時(shí),單片機(jī)模擬主機(jī)根據(jù)一定的流程往鍵盤(pán)和鼠標(biāo)發(fā)送一串 PS/2命令字,初始化鍵盤(pán)鼠標(biāo),使之能正常工作。如果鍵盤(pán)或鼠標(biāo)在運(yùn)行中出現(xiàn)錯(cuò)誤,程序會(huì)按照上電初始化流程重新復(fù)位鍵盤(pán)或者鼠標(biāo)。

初始化鍵盤(pán)鼠標(biāo)程序是順序執(zhí)行的,由初始化鍵盤(pán)函數(shù) void init_keyboard(void)和初始化鼠標(biāo)函數(shù) void init_mouse(void)組成。兩個(gè)函數(shù)的運(yùn)行流程如圖 2所示。單片機(jī)每向外設(shè)發(fā)送設(shè)置命令字后,都要等待外設(shè)的回復(fù)后再發(fā)送下一個(gè)命令字,如果單片機(jī)在 20m s內(nèi)未收到外設(shè)的應(yīng)答數(shù)據(jù)或者應(yīng)答數(shù)據(jù)有誤都將從開(kāi)始端再次初始化外設(shè)。

圖 2 初始化鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的流程圖

初始化鍵盤(pán)鼠標(biāo)成功后,單片機(jī)進(jìn)入 PS/2數(shù)據(jù)傳輸流程。PS/2數(shù)據(jù)傳輸軟件是鍵盤(pán)鼠標(biāo)接口軟件的主要組成部分,其流程圖如圖 3所示。程序主體采用單循環(huán)結(jié)構(gòu),在上電初始化鍵盤(pán)鼠標(biāo)成功后,程序先查詢鍵盤(pán)時(shí)鐘線是否為低,如果時(shí)鐘線被鍵盤(pán)拉低,則表明鍵盤(pán)有數(shù)據(jù)要發(fā)送,程序進(jìn)入從鍵盤(pán)接收 PS/2數(shù)據(jù)流程中并把數(shù)據(jù)存入串口發(fā)送緩沖區(qū);如果鍵盤(pán)時(shí)鐘線為高則查詢鼠標(biāo)時(shí)鐘線是否為低,如果時(shí)鐘線被鼠標(biāo)拉低,則表明鼠標(biāo)有數(shù)據(jù)要發(fā)送,程序進(jìn)入從鼠標(biāo)接收PS/2數(shù)據(jù)流程中并把數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū);如果串口此時(shí)并沒(méi)有發(fā)送數(shù)據(jù)則把緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送出去;如果串口接收到從主機(jī)側(cè)發(fā)送過(guò)來(lái)的鍵盤(pán)命令字,則往鍵盤(pán)發(fā)送 PS/2命令。主循環(huán)每循環(huán)一次,把單片機(jī)的WD I腳電平置反,復(fù)位看門(mén)狗芯片MAX813L。

圖 3 用戶側(cè) PS/2數(shù)據(jù)傳輸軟件流程圖

在圖 3中,從鍵盤(pán)接收 PS/2數(shù)據(jù)流程用 bit k receive_from_device(void)函數(shù)描述,從鼠標(biāo)接收PS/2數(shù)據(jù)流程用 bitm receive_from_device(void)函數(shù)描述。函數(shù)返回一個(gè)布爾量表明從鍵盤(pán)或者鼠標(biāo)中接收 PS/2數(shù)據(jù)是否成功,如果失敗則往外設(shè)發(fā)送重發(fā)命令字,重新接收 PS/2數(shù)據(jù)。因?yàn)镻S/2是串行數(shù)據(jù)傳輸模式,單片機(jī)無(wú)法同時(shí)接收鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的 PS/2數(shù)據(jù),所以程序在接收鍵盤(pán)的PS/2數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)拉低鼠標(biāo)的 PS/2口時(shí)鐘線,以禁止鼠標(biāo)發(fā)送數(shù)據(jù),鼠標(biāo)會(huì)把要發(fā)的數(shù)據(jù)緩存起來(lái);相應(yīng)的在接收鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)時(shí)也會(huì)禁止鍵盤(pán)發(fā)送數(shù)據(jù)。程序提取出 PS/2數(shù)據(jù)中的 8位數(shù)據(jù)位以字節(jié)為單位存入串口發(fā)送緩沖區(qū)中。

圖 3中,向鍵盤(pán)發(fā)送控制命令字用 void ksend _to_device(uchar send_code)函數(shù)描述,向鼠標(biāo)發(fā)送控制命令字用 voidm send_to_device(uchar send _code)函數(shù)描述?；诠δ苣K編寫(xiě)函數(shù)的方式提高了程序的可讀性,方便調(diào)試。

4.2 主機(jī)側(cè) PS/2接口軟件設(shè)計(jì)

該模塊軟件遵守 PS/2協(xié)議,把從主機(jī)側(cè)接口終端的網(wǎng)絡(luò)處理模塊中接收到的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PS/2數(shù)據(jù)發(fā)送給鍵盤(pán)鼠標(biāo),模擬鍵盤(pán)鼠標(biāo)正確應(yīng)答主機(jī)的 PS/2命令,并且提取出主機(jī)發(fā)送給鍵盤(pán)的點(diǎn)燈命令字通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶側(cè)的鍵盤(pán)。

圖 4 主機(jī)側(cè) PS/2數(shù)據(jù)傳輸軟件流程圖

PS/2數(shù)據(jù)傳輸軟件的流程圖如圖 4所示。單片機(jī)在上電后先模擬鍵盤(pán)通過(guò)鍵盤(pán) PS/2口向主機(jī)發(fā)送自檢通過(guò)命令(0xAA),等待 2m s后再模擬鼠標(biāo)通過(guò)鼠標(biāo) PS/2口向主機(jī)發(fā)送自檢通過(guò)命令(0xAA,0x00),在發(fā)送完自檢通過(guò)命令后,程序進(jìn)入單循環(huán)體中:如果主機(jī)的鍵盤(pán) PS/2口的時(shí)鐘線為低則表明主機(jī)有命令字發(fā)送給鍵盤(pán),程序進(jìn)入從主機(jī)接收鍵盤(pán) PS/2命令流程中;如果鼠標(biāo)的時(shí)鐘線為低則表明主機(jī)有命令發(fā)送給鼠標(biāo),程序進(jìn)入從主機(jī)接收鼠標(biāo) PS/2命令流程中;如果主機(jī)沒(méi)有往外設(shè)發(fā)送 PS/2命令且串口緩沖區(qū)中收到用戶側(cè)的鍵盤(pán)數(shù)據(jù),程序把該數(shù)據(jù)以 PS/2格式通過(guò)鍵盤(pán)的 PS/2口發(fā)送給主機(jī),如果收到的是鼠標(biāo)數(shù)據(jù),則通過(guò)鼠標(biāo)的 PS/2口發(fā)送給主機(jī)。主循環(huán)每循環(huán)一次,把單片機(jī)的WD I腳電平置反,復(fù)位看門(mén)狗芯片MAX813L。

在圖 4中,從主機(jī)的鍵盤(pán) PS/2口接收 PS/2命令用 uchar k receive_from_pc(void)函數(shù)描述,從主機(jī)的鼠標(biāo) PS/2口接收 PS/2命令用 uchar m receive_from_pc(void)函數(shù)描述。函數(shù)返回的是接收到的命令字,程序分析收到的命令字,如果是控制鍵盤(pán)狀態(tài)燈的命令字,則通過(guò)串口往用戶側(cè)發(fā)送這個(gè)命令字,并應(yīng)答主機(jī),如果接收的是其它命令字則按照 PS/2協(xié)議回復(fù)主機(jī),但不通過(guò)串口把主機(jī)的命令發(fā)送給用戶側(cè)。

圖4中,程序向主機(jī)發(fā)送鍵盤(pán)的 PS/2數(shù)據(jù)用bitksend_to_pc(uchar send_code)函數(shù)描述,發(fā)送鼠標(biāo)數(shù)據(jù)用 bitm send_to_pc(uchar send_code)函數(shù)描述。由 PS/2協(xié)議可知,在模擬外設(shè)向主機(jī)發(fā)送PS/2數(shù)據(jù)的前十個(gè)時(shí)鐘周期里,主機(jī)若有命令向外設(shè)發(fā)送,可以禁止外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)并向外設(shè)發(fā)送PS/2命令,所以函數(shù)返回一個(gè)布爾量表明向主機(jī)發(fā)送 PS/2數(shù)據(jù)是否成功,如果失敗則表明主機(jī)有命令向外設(shè)發(fā)送,程序進(jìn)入接收 PS/2命令流程,待接收完 PS/2命令后,再重新發(fā)送 PS/2數(shù)據(jù)。

5 啤酒飲料灌裝生產(chǎn)線工控機(jī)的 PS2接口網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)

啤酒飲料灌裝生產(chǎn)線由理瓶機(jī)、灌裝機(jī),貼標(biāo)機(jī)和裝箱機(jī)組成。雖然這些機(jī)器的工控機(jī)有網(wǎng)絡(luò)接口,但是因?yàn)楦鳈C(jī)器來(lái)自不同的生產(chǎn)商,所以無(wú)法兼容,不能組網(wǎng)形成遠(yuǎn)程管理系統(tǒng),如果設(shè)備出現(xiàn)軟件問(wèn)題需要重新設(shè)置或重啟,管理員需要下到生產(chǎn)線,對(duì)其進(jìn)行操作。

圖 5 接口設(shè)備應(yīng)用于啤酒飲料灌裝生產(chǎn)線

對(duì)啤酒飲料灌裝生產(chǎn)線進(jìn)行改造,把工控機(jī)的 PS2接口網(wǎng)絡(luò)化,可以解決這一問(wèn)題。如圖 5所示。把主機(jī)側(cè) PS2接口終端和各機(jī)器的工控機(jī)PS2口相連,用戶側(cè)的 PS2接口終端和管理員的鍵盤(pán)鼠標(biāo)相連,這些終端和一個(gè)小型服務(wù)器共同組成一個(gè) PS2信息局域網(wǎng)。主機(jī)側(cè)終端內(nèi)的VGA接口和各工控機(jī)的 VGA接口相連,管理員顯示器的 VGA接口和用戶側(cè)終端相連,這些VGA信息通過(guò)視頻光纖接入一個(gè)視頻切換矩陣中,視頻切換矩陣有一個(gè)控制串口,用一個(gè)專用終端將串口信息轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)信息接入 PS2信息局域網(wǎng),通過(guò)管理員鍵盤(pán)的熱鍵操作,可以使操作員的顯示器在各工控機(jī)的顯示界面間快速切換。通過(guò)此種方法,操作員通過(guò)一套鍵盤(pán)鼠標(biāo),一個(gè)顯示屏以及一個(gè)用戶側(cè)接口終端,能夠方便地遠(yuǎn)程管理生產(chǎn)線上的理瓶機(jī)、灌裝機(jī),貼標(biāo)機(jī)和裝箱機(jī)。該遠(yuǎn)程管理實(shí)例完全基于硬件接口的操作,不依賴于這些設(shè)備的操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)接口,具有獨(dú)立性和可靠性。

6 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)化 PS/2接口終端的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了鍵盤(pán)鼠標(biāo)的遠(yuǎn)程化,配合視頻遠(yuǎn)傳設(shè)備,可以使一套鍵盤(pán)鼠標(biāo)操作多臺(tái)主機(jī),方便用戶對(duì)工控機(jī)的操控,增強(qiáng)了使用靈活性,啤酒飲料灌裝生產(chǎn)線工控機(jī)的PS2接口網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)為遠(yuǎn)程管理食品生產(chǎn)線上各控制設(shè)備提供了一種可靠直接的方法。該系統(tǒng)的樣機(jī)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成,設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

[1]錢(qián)國(guó)超,張世慶,張西良.包裝生產(chǎn)線分布式網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].包裝工程,2004(2):54-56.

[2]李冉琦,白麗嬡.基于單片機(jī)的 PS/2標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)接口制作[J].電子制作,2007(11):12-15.

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The Network Term ina l of PS/2 In terface Used in Packag ing Production L ine

Q IL iang
(Center forAnalysis and Testing,Nanjing Norm alUniversity,Nanjing 210046,China)

In order to con tro l the compu tersof packaging p roduction line far aw ay,a PS/2 interface term inal is introduced.The term inal is a netwo rk device that it separates the PS/2 keyboard andmouse from computer,and changes the PS/2 data into network package.In thatcase,the keyboard andmouse can contro l the computerw ithout the restriction of distance,and sw itch between differentoperation system computers.This design supp lies a new m ethod thatuser can contro l the com puter conveniently and op tionally.

packaging p roduction line;network;long-distance contro l;PS/2 interface term inal;single chip

2010-11-02;

2010-11-08

齊亮(1983-),男,碩士,主要從事儀器分析和包裝系統(tǒng)電子設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)研究。通訊地址:210042南京市玄武區(qū)鎖金村 7號(hào)5棟 22室,E-mail:cocoqlg@163.com。

TB486.3;TP311.1

A

1005-129512010)06-0062-05

do i:10.3969/j.issn.1005-1295.2010.06.015