MC68HC05键盘接口温度计：PS/2协议与单总线传感器驱动实战-深圳市維司達科技有限公司

1. 项目概述与核心价值

在嵌入式系统开发的早期，资源受限是常态。微控制器（MCU）的I/O口、电源、通信接口都极为宝贵。今天要分享的这个项目，就是一个在资源极度受限条件下“螺蛳壳里做道场”的经典案例：基于MC68HC05的键盘接口温度计。它的核心思路非常巧妙——利用PC的PS/2键盘接口，同时解决嵌入式设备的供电和通信两大难题。

想象一下，你有一个MC68HC05微控制器和一个DS1820温度传感器，想做一个能向PC报告温度的小设备。常规思路可能需要额外的USB转串口芯片、电平转换电路，还得找个5V电源适配器。但这个项目告诉你，完全不需要。一根标准的PS/2键盘延长线，一头插电脑，另一头接上你的设备，再把自己的键盘插在设备上，电有了，数据通道也有了。电脑上跑个简单的DOS程序（THERMO.EXE），就能像接收键盘输入一样，收到设备发来的温度数据。这种设计对于需要与PC进行简单、低成本数据交互的嵌入式应用（如环境监测探头、简易数据采集器）具有很高的参考价值。

整个固件的核心，就是让MC68HC05这颗简单的8位MCU，同时扮演好三个角色：一个PS/2协议分析器，一个单总线主机，以及一个键盘模拟器。下面，我们就来深入拆解这套固件的设计思路、实现细节，以及我在复现和调试过程中积累的一些实战经验。

2. 系统架构与核心模块设计思路

这个键盘温度计固件，从功能上清晰地划分为三个模块，但它们在逻辑和时序上紧密耦合。理解这个架构，是读懂后续所有代码和操作细节的基础。

2.1 模块交互与总体工作流

系统上电后，MCU完成初始化，然后便进入一个主循环等待状态。此时，键盘与PC之间的通信是直通的，设备处于“监听”模式。整个工作流由PC主机主动触发：

等待激活：PC端的THERMO.EXE程序启动后，会通过键盘接口向键盘发送两次ECHO命令（命令码0xEE）。固件的激活信号采集模块持续监听PS/2数据线，专门捕捉这个特定的“两次ECHO”序列。只有正确识别到这个“暗号”，设备才认为主机发出了数据请求，从而启动温度测量流程。
采集温度：一旦激活，温度采集与转换模块开始工作。它通过严格的单总线时序，向DS1820传感器发送复位、跳过ROM、启动温度转换、读取暂存器等命令，获取原始的9位温度数据。
格式化与发送：获取的原始温度数据（例如，代表25.5°C的二进制值）需要转换成人类可读的ASCII字符，并进一步转换成PC键盘能理解的扫描码（Scan Code）。键盘接口模块负责将格式化后的扫描码数组，按照PS/2设备到主机的通信协议，一位一位地“敲”给PC。PC接收到这些扫描码后，会如同用户真的在键盘上输入了“25.5”一样，将其传递给THERMO.EXE程序显示出来。

这个流程的精妙之处在于非侵入性。在设备不活动时，键盘与PC通信无阻；在设备活动时，它通过电子开关（原理图中的4066模拟开关）暂时接管数据线，发送完数据后立即释放，键盘功能不受影响。

2.2 硬件接口与资源分配解析

看原理图（Appendix A）是理解硬件约束的关键。MC68HC705J1A是核心，它的I/O口分配如下：

PS/2接口侧：
- CLOCK_IN,DATA_IN：配置为输入，用于监听主机到键盘的通信（READ_COMMAND）以及键盘到主机的响应（READ_RESPONSE）。
- CLOCK_OUT,DATA_OUT：配置为输出，用于在设备发送数据时，模拟键盘产生时钟和数据信号（SEND函数）。
- BUSY,CONTROL：用于控制模拟开关（4066），在设备需要发送数据时，断开键盘与主机的连接，将设备自己的CLOCK_OUT和DATA_OUT接入总线。
DS1820传感器侧：
- DQ：双向数据线，用于单总线通信。需要软件严格模拟复位、读写时序。
其他：
- 系统使用4MHz外部振荡器。
- 7407是开集电极缓冲器，用于增强PS/2接口的驱动能力，并实现电平的兼容。

注意：PS/2协议是双向、开集电极（Open-Collector）的。这意味着任何设备（主机或键盘）只能将线拉低（逻辑0），释放时由上拉电阻拉高（逻辑1）。因此，在代码中，无论是监听还是驱动，都需要注意“线与”逻辑。驱动时，输出0是主动拉低，输出1实际上是释放总线（高阻态），由上拉电阻拉高。

3. 核心模块一：激活信号采集模块深度解析

这个模块是设备与主机建立联系的“握手协议”实现者。它不能干扰键盘正常通信，又要能精准捕捉到主机发来的特定指令序列。

3.1 协议基础与激活序列设计

标准PS/2通信中，主机向键盘发送一个命令（如0xEEECHO），键盘必须回复一个应答（对于ECHO命令，回复也是0xEE）。THERMO.EXE程序连续发送两个ECHO命令，并期待收到两个ECHO响应。

固件中的CONTACT函数就是为此而生。它循环调用READ_COMMAND和READ_RESPONSE，寻找连续的“命令0xEE-> 响应0xEE-> 命令0xEE-> 响应0xEE”序列。为什么是两次？主要是为了抗干扰。键盘在正常使用中也可能产生数据，单次匹配到0xEE有可能是巧合。连续两次完美匹配的概率极低，这大大提高了激活的可靠性。

3.2 READ_COMMAND函数：主机到设备通信的监听器

READ_COMMAND函数的任务是解析一次完整的主机到键盘的数据帧。PS/2协议的一帧数据包含：

起始位（总是0）
8个数据位（LSB first）
奇校验位
停止位（总是1）
键盘的应答位（ACK，低电平）

函数实现采用了典型的状态机和超时保护思想，这是嵌入式裸机编程的精华。

关键步骤与代码剖析：

等待起始条件：主机发送数据前，会先把时钟线拉低至少100µs，然后把数据线拉低。READ_COMMAND首先等待DATA_IN变低，并检查此时CLOCK_IN是否为高（主机控制时钟线为低是发送起始信号，如果时钟线已经是低，可能是异常）。
```
WAIT4COMMAND BRSET DATA_IN,PORTA,WAIT4COMMAND ; 等待数据线变低 BRSET CLOCK_IN,PORTA,READ_CMD_ERROR ; 如果此时时钟线是高，错误
```
位采样与超时：之后，函数等待时钟线变高（上升沿），在上升沿后延迟约10µs（代码中的GET_BIT_DELAY循环），再读取数据线的状态。这里的关键是每一个等待时钟沿的循环，都必须加入超时判断。例如，等待时钟变高的循环：
```
LDA #$48 ; 超时计数器 WAIT4CLOCKHI BRSET CLOCK_IN,PORTA,STARTBITCLOCK ; 时钟变高则跳走 DECA BEQ READ_CMD_ERROR ; 计数到0则超时错误 BRA WAIT4CLOCKHI
```
超时值（如#$48）需要根据MCU时钟周期精确计算，确保覆盖协议允许的最大间隔，又不会让MCU死等。这是保证系统鲁棒性的生命线。
校验与帧校验：8位数据接收完毕后，代码会计算收到的奇校验位是否正确，并检查停止位是否为1，以及键盘是否回送了ACK（低电平）。任何一步出错，都会设置错误标志（INC FLAG）并退出。

3.3 READ_RESPONSE函数：设备到主机通信的监听器

READ_RESPONSE与READ_COMMAND类似，但监听的是键盘到主机的通信。区别在于帧结构：键盘到主机的数据帧没有ACK位。函数流程变为：等待起始位->读取8位数据+奇校验位->检查停止位。

实操心得：在调试这个模块时，最头疼的就是时序问题。逻辑分析仪是必备工具。你需要同时抓取主机时钟、主机数据、键盘数据（如果可能）以及MCU的某个GPIO（用于打点标记代码执行到何处）。通过对比抓到的波形和代码中预期的时序（比如10µs的采样点），才能定位是超时设置太短，还是中断干扰了延时循环。在没有逻辑分析仪的情况下，可以尝试用GPIO翻转来“模拟”一个简单的波形，用示波器观察，辅助判断代码执行到哪个阶段卡住了。

4. 核心模块二：温度采集与转换模块实战要点

这个模块负责与DS1820单总线温度传感器通信。单总线协议以其节省IO口著称，但代价是极其严格的时序要求，所有时序都由MCU软件模拟。

4.1 单总线协议与DS1820操作序列

DS1820的典型操作序列是：初始化（复位->存在脉冲）->发送ROM命令（如SKIP ROM [0xCC]）->发送功能命令（如CONVERT T [0x44]或READ SCRATCHPAD [0xBE]）->读写数据。

固件中的ACQUIRE_TEMP函数清晰地体现了这个流程：

RESET_1820: 发送480-960µs的低电平复位脉冲，然后释放总线并等待60-240µs，检测DS1820回应的60-240µs低电平存在脉冲。
发送SKIP ROM [0xCC]命令（因为总线上只有一个传感器，可以跳过寻址）。
发送CONVERT T [0x44]命令启动温度转换。对于DS1820，转换时间最多可达750ms。代码采用轮询方式，不断发送读时隙，直到读到非0xFF值，表示转换完成。这是一种简单有效的等待方式。
再次复位，发送SKIP ROM和READ SCRATCHPAD [0xBE]命令。
连续读取两个字节（READ_1820），得到9位的温度值（低字节LSB，高字节MSB的bit0是小数部分）。

4.2 底层读写时序的软件模拟

WRITE_1820和READ_1820函数是时序模拟的核心。

写时隙：MCU将总线拉低至少1µs，然后根据要写的是“1”还是“0”，在15µs内释放总线（写1）或继续保持低电平60µs（写0）。整个时隙持续60-120µs。

WRITE_ZERO BCLR DQ,PORTA ; 拉低总线开始写时隙 JSR DELAY_80µS ; 保持低电平约80µs（写0） BSET DQ,PORTA ; 释放总线 BRA DEC_WRITE WRITE_ONE BCLR DQ,PORTA ; 拉低总线至少1µs NOP ; 几个NOP指令实现短暂延时 NOP NOP BSET DQ,PORTA ; 很快释放总线（写1） JSR DELAY_80µS ; 等待时隙结束

这里的DELAY_80µS延时子程序需要根据4MHz主频精确计算指令周期来编写。

读时隙：MCU发起读时隙（拉低总线至少1µs后释放），然后在15µs内采样总线状态。DS1820会在MCU拉低总线后，在15-60µs的时间窗口内将总线拉低（表示0）或保持高（表示1）。

READ_BIT BSET DQ,PORTA BSET DQ_CTRL,DDRA ; 确保DQ为输出模式 BCLR DQ,PORTA ; MCU拉低总线至少1µs NOP ; 短暂延时 NOP NOP NOP NOP BCLR DQ_CTRL,DDRA ; 切换DQ为输入模式，释放总线 BRSET DQ,PORTA,READ_ONE ; 延时后采样总线 CLC ; 读到0 BRA READ_SHIFT READ_ONE SEC ; 读到1

避坑指南：

延时精度：单总线对时序宽容度很小。所有DELAY_xxx函数必须用汇编语言精确实现，考虑所有指令周期。使用C语言循环通常难以满足要求。
总线恢复：每次读写操作后，必须保证MCU将总线控制权释放（设置为输入或输出高电平），并由上拉电阻拉高，为下一次操作做好准备。
中断干扰：如果系统开启了中断，在操作单总线的关键时序段（如READ_1820,WRITE_1820）必须禁用中断，否则一个中断服务程序的执行可能彻底破坏时序，导致通信失败。本固件作为简单示例可能未考虑，但在复杂系统中是必须处理的。

5. 核心模块三：键盘接口模块与数据发送

这是设备“说话”的模块，负责将温度值“敲”进电脑。核心是将温度数值转换为PS/2扫描码，并模拟键盘发送。

5.1 温度数据到扫描码的转换

FORMAT_TEMP函数完成了从原始9位温度数据到扫描码数组的转换。DS1820的温度数据格式是：低字节的bit0为0.5°C，高字节为符号位和整数部分。

例如，0x0191（二进制 0000 0001 1001 0001）表示 +25.0625°C？这里需要仔细核对DS1820数据手册。实际上，DS1820的默认分辨率是9位，格式为：符号位S（高字节bit7），高字节低7位和低字节bit7组成8位整数部分，低字节bit0是0.5°C，bit1-3是0.125, 0.0625等。但本固件似乎只处理了0.5°C精度（检查ODD_MULTIPLE标志位），将温度转换为带一位小数的字符串。

转换步骤：

判断正负，负数则在发送缓冲区存入减号“-”的扫描码（MINUS=$4E），并对数据取补码。
分离整数部分和小数部分（0或0.5）。
将整数部分除以10，分离十位和个位。
通过查表SCAN_TABLE，将十位、个位数字转换为对应的通码（Make Code）。例如，数字‘2’的通码是$1E。
根据小数部分，存入小数点“.”的扫描码（POINT=$49）和“5”（FIVE=$2E）或“0”（ZERO=$45）的扫描码。
在缓冲区末尾存入结束符END（$5A，即回车键的扫描码？这里$5A是数字小键盘回车？通常主回车是$5A，但需要确认）和停止符$FF。

5.2 模拟键盘发送：SEND与SEND_BYTE函数

SEND_BYTE是高层发送函数，它处理了PS/2协议中的错误重传机制。流程如下：

通过控制BUSY和CONTROL信号，断开键盘，连接设备到总线。
调用底层SEND函数发送一个字节。
如果发送成功（PC未拉低时钟线表示错误），则结束。
如果发送失败，设备会等待并调用RECEIVE函数，尝试接收主机发来的RESEND命令（0xFE）。
如果收到RESEND，则重新发送原数据；否则报错。

SEND函数是真正的“比特爆破（Bit Banging）”实现者，它严格按照PS/2设备到主机的时序，用软件控制CLOCK_OUT和DATA_OUT引脚：

设备在发送前，需要检查时钟线是否为高（主机允许发送）。
设备先将数据线拉低，然后产生一个时钟脉冲（低-高-低），作为起始位。
接着，从LSB开始，依次发送8个数据位和1个奇校验位。每个位都是在时钟线为低时准备好数据，然后产生一个时钟脉冲。
发送停止位（高）。
释放总线，等待主机拉低时钟线作为应答（ACK），然后主机再释放时钟线。代码中通过PC_BUSY和STILL_BUSY循环等待主机处理。

关键时序参数（来自PS/2协议）：

时钟频率：10-16.7 kHz
每个时钟周期：60-100 µs
数据在时钟下降沿变化，在时钟上升沿被采样。
设备在发送前，必须检查时钟线在高电平状态至少50µs。

代码中的HALF_CLOCK和FULL_CLOCK延时循环，就是用来产生符合标准的时钟脉冲宽度。

5.3 主机端程序THERMO.EXE的角色

固件设计是与主机程序THERMO.EXE紧密配合的。该程序大概做了以下几件事：

向键盘接口发送特定的激活序列（两次ECHO）。
持续监听键盘输入，将接收到的扫描码转换为ASCII字符。
将转换后的字符串（如“25.5”）在DOS界面显示出来。
提供简单的用户交互（如等待用户按Q退出）。

它的流程图（Appendix B）清晰地展示了这个交互过程：发送激活序列->等待/接收温度字符串->显示->等待用户输入->循环。

6. 固件源代码的关键例程与调试技巧

翻阅附录D的完整源码，除了上述主要函数，还有一些支撑性的例程和全局设计值得关注。

6.1 全局变量与内存规划

在RAM的起始部分，定义了一系列变量：

DATA,FLAG: 通用数据寄存器和状态标志寄存器。
TX_BUFFER: 发送缓冲区，存放格式化后的扫描码序列。
TEMP_HI,TEMP_LO: 存放从DS1820读取的原始温度数据。
各种临时变量和掩码常量。

在资源紧张的MC68HC705J1A上（RAM可能只有64或128字节），这种清晰的内存规划至关重要。FLAG变量的各个位被复用为不同函数的错误标志，节省了空间。

6.2 延时子程序的艺术

所有时序都依赖于精确的软件延时。源码最后一部分是延时子程序集，如DELAY_80µS,DELAY_500µS,FULL_CLOCK,HALF_CLOCK等。它们都是用汇编指令（NOP,DECA,BNE）构成的紧密循环。

计算延时：以4MHz时钟为例，一个机器周期是0.25µs（假设内部2分频）。一个NOP是2个机器周期（0.5µs）。DELAY_80µS的循环体是NOP; NOP; NOP; DECA; BNE，需要计算循环次数A的初始值，使得总时间约为80µs。这需要根据指令集手册精确计算，是嵌入式汇编编程的基本功。

6.3 调试方法与问题排查实录

开发此类底层驱动，调试是最大的挑战。以下是我总结的排查思路：

问题：设备完全无反应，PC程序收不到数据。
- 排查电源：首先用万用表测量PS/2接口的+5V和GND是否正确接入MCU和传感器。PS/2接口的供电能力有限（约100-200mA），确保整个电路功耗在其范围内。
- 排查激活：在CONTACT函数入口设置一个LED闪烁或GPIO翻转。观察设备是否成功进入了激活序列检测。如果没有，问题可能在READ_COMMAND对主机信号的监听上。用逻辑分析仪抓取主机发送的两个ECHO命令序列，与代码逻辑对比。
- 排查硬件连接：检查原理图中的模拟开关（4066）和控制信号（BUSY,CONTROL）逻辑是否正确。设备在监听时，开关应连接键盘到主机；在发送时，应切换为设备到主机。
问题：能激活，但温度读数全是0或错误。
- 排查DS1820通信：在ACQUIRE_TEMP函数的RESET_1820、WRITE_1820、READ_1820等关键点设置调试信号。用示波器观察DQ线上的波形，与DS1820数据手册的时序图对比。最常见的问题是延时不准或中断干扰。
- 检查传感器连接：DS1820的数据线需要接一个4.7kΩ的上拉电阻到VCC。确保连接可靠。
问题：能激活，温度读取似乎正确，但PC端收到乱码或部分字符。
- 排查扫描码转换：在FORMAT_TEMP函数结束后，检查TX_BUFFER数组里的内容。对照PS/2扫描码集，看转换是否正确。例如，数字‘1’的扫描码是否是$16。
- 排查发送时序：用逻辑分析仪同时抓取设备发送时的CLOCK_OUT和DATA_OUT信号。测量时钟周期、数据建立和保持时间是否符合PS/2规范。特别注意设备发送前，是否等待了足够长的时间（>50µs）确保时钟线为高。
- 排查PC端程序：确认THERMO.EXE程序是否与固件预期的扫描码集匹配（通常是XT/AT扫描码集）。也可以用一个简单的键盘监听程序，看看设备发出的原始扫描码是什么。
问题：发送数据导致键盘锁死或PC异常。
- 检查总线竞争：确保在设备发送数据前，BUSY和CONTROL信号已有效断开了键盘。发送完成后，必须及时恢复键盘连接。逻辑分析仪可以清晰显示切换过程。
- 检查错误处理：SEND_BYTE函数中的错误重发逻辑是否健全？如果PC一直不发RESEND命令，设备是否能在超时后安全退出，恢复键盘连接？

一个实用的调试技巧：利用未使用的I/O口。例如，可以在每个主要函数入口、出口，或关键判断分支处，给某个I/O口一个不同的脉冲（如短脉冲、长脉冲、双脉冲）。用示波器观察这个“调试通道”，就能像单步执行一样，了解代码的执行流卡在了哪里。这比点灯更高效。

7. 项目总结与扩展思考

回顾这个基于MC68HC05的键盘温度计项目，其核心价值在于展示了一种极简主义的系统集成思想。它不增加任何额外的接口芯片，仅凭MCU的GPIO和软件智慧，就巧妙地“寄生”在成熟的PS/2生态系统上，实现了数据与电源的获取。

从今天的视角看，MC68HC05早已不是主流，PS/2接口也日渐稀少。但这个项目所蕴含的协议分析、时序模拟、资源管理、软硬件协同调试等技能，依然是嵌入式开发的基石。你可以将这套思路迁移到其他场景：

协议替换：将PS/2接口换成USB。虽然USB协议复杂得多，但可以使用像V-USB这样的软件USB实现，或者更简单的，用一个USB转串口芯片（如CH340），MCU通过UART发送数据，主机端用虚拟串口接收。这更符合现代硬件环境。
传感器扩展：DS1820可以替换为DHT11（温湿度）、DS18B20（更高精度温度）或其他I2C、SPI传感器。只需修改对应的驱动函数。
功能扩展：设备可以不止上报温度。可以做成一个多功能键盘侧边小工具，上报传感器数据、自定义宏按键状态等。
低功耗优化：原设计MCU可能一直处于运行状态。可以修改为：平时MCU进入低功耗休眠模式，通过PS/2时钟线或数据线的边沿变化（需配置为外部中断）来唤醒，然后执行一轮测量和发送，再继续休眠，大大降低整体功耗。

最后，想强调一点：阅读和理解这类“古老”的应用笔记和源码，最大的收获不是学会如何操作一个特定的过时芯片，而是学习前辈工程师在严苛限制下解决问题的架构思维和实现技巧。这些思维和技巧，在你面对任何资源受限的嵌入式场景时，都会成为你工具箱里最宝贵的资产。动手复现它，哪怕是在模拟器上，你会对“位操作”、“状态机”、“时序”这些概念有刻骨铭心的理解。