FPGA学习系列：25. PS2通信电路的设计

设计背景：

PS2接口是一种PC兼容型电脑系统上的接口，可以用来链接键盘及鼠标。PS2的命名来自于1987年时IBM所推出的个人电脑：PS/2系列。PS2的键盘和鼠标在电气特性上十分类似，主要差别在于键盘接口需要双向的沟通。PS2接口不支持热插拔，使用时需要关机插上，目前已逐渐被USB所替代，只有少部分台式机仍然提供PS2接口。

设计原理:

PS2的接口如下图所示：

上图中，1是数据线DATA；2是预留N/C；3是GND；4是VCC（+5V）；5是时钟信号线CLK；6是预留N/C。

PS2原理电路图如下：

PS2协议总共由两根线组成，从电路原理图中也可以看出，需要控制的只有PS2_CLK和PS2_SDA，即一根时钟线和一根数据线。PS2设备中的时钟和数据都是集电极开路的，平时都是高电平。本设计将采用PS2接口的键盘称为从机，将控制和解码PS2协议的一方称为主机（FPGA）。PS2协议的时钟线始终由从机（即键盘）产生的，PS2协议发送一个字节数据共有11位。时序如下图所示:

1Bit起始位，总是0；8Bit数据位，低位在前；1Bit校验位，奇校验；1Bit停止位，总是1。

从机（键盘）按照这个时序发送数据，主机（FPGA）只需要实现该协议的解码，即可将其中的8Bit数据位提取出来。根据时序图可以看出，数据在PS2时钟的下降沿是保持稳定的，主机只需在检测到PS2时钟出现下降沿时，去读取数据线上的电平，就可得到正确的数据。

通过上述的内容，已经知道了PS2从机到主机的通信协议，接下来就需要知道从机发送过来的每个字节代表什么？这时就要对照键盘编码表进行查看。键盘上一个按键由按下到释放时，键盘是按照如下的规定向主机发送数据的：

只要一个按键被按下，这个键的通码（MAKE）就会被发送到主机，按键一被释放，断码（BREAK）也会被发送，如果按键被按下不释放的话，键盘会以一定的频率发送那个按键的通码。每个按键都有自己唯一的通码和断码，从而组成键盘编码表，表上的码值为16进制：

例如，如果键盘上‘A’键被按下时，键盘就会向主机发送‘A’键对应的通码‘1C’，直到按键被释放。在按键被释放后，键盘将会向主机发送‘A’键的断码，即首先发送‘F0’，然后下一个字节发送‘1C’。通过观察键盘编码表，可以发现按键的通码与断码存在一定的联系，多数断码的第一个字节是‘F0’，第二个字节则是这个键的通码。

如果按下键盘上的扩展按键时，如‘END’，当‘END’键被按下后，键盘会首先向主机发送‘E0’，然后发送‘F0’，最后再发送‘69’。 根据上述的分析可知，在主机（FPGA）解码一次数据后，还需要对这个数据进行分析判断，判断该数据是否为断码标志‘F0’以及扩展码标志‘E0’。

设计架构图:

本设计将实现在PS2键盘上按下26个字母任一个，在数码管上显示其对应的ASCII码。架构图如下：

ps2scan模块是根据PS2的时序协议，将键盘的按键值译成一个8位的数据（out_data）输出；ASCII模块，根据ASCII表，将数据与字母一一对应；seg_num模块将相应的数据在数码管上显示。

设计代码:

ps2scan模块代码：

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

1

2//端口信号：模块的输入输出接口

3inputclk;//系统时钟

4inputrst_n;//低电平复位

5inputps2_sclk;//ps2时钟信号（ps2设备自动产生，大约10KHz左右）

6inputps2_sda;//ps2数据信号

7outputreg[7:0]out_data;//键值数据（采集ps2的一帧信号中间的8位有效位）

8

9//在发送时序中，数据在ps2_sclk的下降沿采集信号，以下为检测下降沿

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;//当出现ps2_sclk下降沿后拉高一个时钟，以进行数据的采集

28

29

30//采集ps2的一帧信号中间的8位有效位:每检测一个下降沿算一位数据位，在中间8位采集有效数据

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;//开始位

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;//结束位

774'd10:num <=4'd0;

78default:;

79endcase

80end

81

82//判断是否有键按下：根据通码、断码的特性判断

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模块代码：

0moduleASCII(out_data,tx_out);

1

2//端口信号：模块的输入输出接口

3input[7:0]out_data;//键盘的扫描键值

4outputreg[7:0]tx_out;//通过ASCII码转换之后的值

5

6//通过查找表的方式，对照ASCII码将键值转换为二进制数值

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模块代码：

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

1

2//端口信号：模块的输入输出接口

3inputclk;//系统时钟50MHz

4inputrst_n;//低电平复位

5input[7:0]num;//输入的数据

6outputreg[2:0]sel;//数码管位选

7outputreg[7:0]seg;//数码管段选

8

9

10//计数分频，通过选择cnt的相应位的变化来大致分频

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];//通过计数cnt的第10位来分频计数,2^10/50M

23//通过查找表的方式将数据与相应的数码管显示一一对应

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//通过查找表的方式，在不同位选下，显示数据的相应位

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顶层模块代码：

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

1

2//外部接口

3inputclk;//系统时钟50MHz

4inputrst_n;//低电平复位

5inputps2_sclk;//ps2时钟

6inputps2_sda;//ps2数据

7output[2:0]sel;//数码管位选

8output[7:0]seg;//数码管段选

9

10wire[7:0]out_data,tx_out;

11

12/*****键盘扫描模块*****/

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/*****数据转ASCII码模块*****/

22ASCII ASCII_inst(

23.out_data(out_data),

24.tx_out(tx_out)

25);

26

27/*****数码管显示模块*****/

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顶层测试代码：

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/*---------生成工作时钟-----------*/

45always#10clk =~clk;

46

47/*----任务：以PS2协议发送一个字节的数据-----*/

48taskSend_data;

49input[7:0]data;

50begin

51ps2_sda =0;/*发送起始位*/

52#20000;ps2_sclk =0;

53#40000;ps2_sclk =1;

54

55#20000;ps2_sda =data[0];/*发送第0位*/

56#20000;ps2_sclk =0;

57#40000;ps2_sclk =1;

58

59#20000;ps2_sda =data[1];/*发送第1位*/

60#20000;ps2_sclk =0;

61#40000;ps2_sclk =1;

62

63#20000;ps2_sda =data[2];/*发送第2位*/

64#20000;ps2_sclk =0;

65#40000;ps2_sclk =1;

66

67#20000;ps2_sda =data[3];/*发送第3位*/

68#20000;ps2_sclk =0;

69#40000;ps2_sclk =1;

70

71#20000;ps2_sda =data[4];/*发送第4位*/

72#20000;ps2_sclk =0;

73#40000;ps2_sclk =1;

74

75#20000;ps2_sda =data[5];/*发送第5位*/

76#20000;ps2_sclk =0;

77#40000;ps2_sclk =1;

78

79#20000;ps2_sda =data[6];/*发送第6位*/

80#20000;ps2_sclk =0;

81#40000;ps2_sclk =1;

82

83#20000;ps2_sda =data[7];/*发送第7位*/

84#20000;ps2_sclk =0;

85#40000;ps2_sclk =1;

86

87#20000;ps2_sda =0;/*暂时忽略校验位*/

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/*-----任务：模拟按下按键的操作------*/

98taskpress_key;

99input[7:0]Key_Number;

100begin

101Send_data(Key_Number);

102#50000;

103end

104endtask

105

106/*-----任务：模拟释放按键的操作------*/

107taskrelease_key;

108input[7:0]Key_Number;

109begin

110Send_data(8'hF0);

111#50000;

112Send_data(Key_Number);

113#50000;

114end

115endtask

116

117/*----任务：模拟一次短码的按下和释放操作-----*/

118taskKey_Event;

119input[7:0]Key_Number;

120begin

121press_key(Key_Number);

122#30000;

123release_key(Key_Number);

124end

125endtask

126

127endmodule

仿真图:

仿真结果如下图：

测试文件中发送的‘Z’、‘X’、‘O’、‘P’、‘E’、‘N’等字母，在仿真图中显示，通过与ASCII码表对应，得知是正确的。分配引脚，下板后，数码管也得到了与之对应的ASCII码值。