摘 要：通用串行總線USB是一種嶄新的微機總線接口規(guī)范。本文介紹了一種基于USB接口的無線通訊鍵盤控制器的設(shè)計方案，包括硬件設(shè)計、設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計及應(yīng)用軟件設(shè)計。
引言
在目前的多媒體演示環(huán)境中，缺少遠距離可操控計算機的設(shè)備。講授者只能站在講臺上來操作計算機，這樣限制了演講者與觀眾面對面的交流。
為有效地解決這個問題，本文設(shè)計了一種可遠距離操控計算機的無線通訊鍵盤控制器設(shè)備，通過把USB接口與無線發(fā)送、接收模塊整合，設(shè)計出一種智能化、簡便化的無線通訊鍵盤控制器。系統(tǒng)主要包括USB模塊、無線發(fā)送模塊和無線接收模塊。
1 總體方案
本設(shè)計方案以無線發(fā)送/接收器為基礎(chǔ)，用戶通過所設(shè)計的"鍵盤控制器"上的按鍵，觸動無線發(fā)射模塊，SC2262發(fā)送指令數(shù)據(jù)，位于主機端連接卡上的無線接收器SC2272接收到數(shù)據(jù)后。將數(shù)據(jù)傳給微控制器MC68HC05JB4,經(jīng)過MC68HC05JB4芯片處理，數(shù)據(jù)最后通過USB總線傳人主機，由驅(qū)動程序發(fā)給相應(yīng)的應(yīng)用軟件。從而操控待操作的文檔。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2 硬件設(shè)計
(1)連接卡設(shè)計
此方案中，通過USB口與主機直接連接的是自行設(shè)計的連接卡。該卡上集成了兩個主要的芯片，形成了兩大功能模塊。核心是MOTOROLA的微控制器MC68HC05JB4,它分別與無線電接收器SC2272和主機通訊。
(2)MC68HC05SJB4芯片
MC68HC05JB4芯片是MOTOROLA 公司的MC68HC系列的8位微控制器。通過微控制器內(nèi)含的USB模塊?？梢院芊奖愕貙崿F(xiàn)USB總線上的數(shù)據(jù)通訊。MC68HCO5JB4提供了兩個端口分別與電纜的D+、D-相連;同時提供了一個3.3V的參考電壓，與D一相連。典型連接如圖2所示。D+和D一是一對差模的信號線。其中1.5K的電阻要求較高，阻值范圍必須是是1.5KΩ±5%.USB通過一個四線電纜來傳輸信號與電源：為了與電纜阻抗匹配，在電纜的每一端都使用了非平衡終端匹配電阻。該電阻保證了能夠檢測外設(shè)與端口的連接或分離。并且可以區(qū)分高速與低速設(shè)備。SCI接口電路使用MAX232芯片，它可將微控制器使用的+5V電壓轉(zhuǎn)換為+12V,連接無線電接收器SC2272.將收到的數(shù)據(jù)傳給微控制器。同時為了產(chǎn)生1.5M的USB總線速率。系統(tǒng)使用6MHz的晶振。
圖2 USB接口電路
(3)無線收發(fā)與編碼、解碼器設(shè)計
在信號的編碼/解碼方面，本設(shè)計方案采用SC2262/SC2272芯片作為編/解碼芯片。其連接原理如圖3、圖4所示。SC2262和SC2272芯片的第1至第8根引腳有三種狀態(tài)。即接電源正極、接地、浮空，利用這三種狀態(tài)可以有38種地址編碼方式。通過對這8根引腳采用相同的編碼方式來實現(xiàn)無線電遙控，而不發(fā)生干擾。
圖3無線電發(fā)送器SC2262.
圖4無線電接收器SC2272
在發(fā)射電路中。當(dāng)按下SWO-SW3中的任一開關(guān)閉合時。SC2262的第17根引腳就發(fā)出對應(yīng)于地址碼的編碼脈沖信號，該信號通過無線電發(fā)射電路發(fā)送出去，與SC2272相連的無線電接收器接收到該信號后，將其送入SC2272的第14根引腳。如果該信號的地址編碼與接收到信號的SC2272芯片的地址編碼相符。
則SC2272的第10-13根數(shù)據(jù)線就輸出與SW0一SW3相對應(yīng)的控制信號。通過對Sw0一Sw3的交叉編碼可以組合出更多的按鍵開關(guān)。根據(jù)不同的需要，開關(guān)設(shè)計有較大的擴展性。
3 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計主要包括MC68HC05JB4的主控程序、HID設(shè)備驅(qū)動程序及應(yīng)用軟件設(shè)計等三個部分。
(1)MC68HC05JB4的主控模塊。
MC68HC05JB4的主控模塊設(shè)計主要完成兩個功、能：一是監(jiān)視無線接收器SC2272的狀態(tài)。自動產(chǎn)生狀態(tài)信息和用戶命令信息;二是完成主機與連接卡之間的USB總線通訊，自動處理主機的控制和查詢命令。
對于功能二的實現(xiàn)，MC68HCO5JB4中的USB模塊提供了3個端點。其中端點0通過控制傳輸與主機通訊，端點1和端點2則使用中斷傳輸。把端點0看作是設(shè)備的控制和狀態(tài)寄存器，而端點1和端點2則是設(shè)備的兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。對應(yīng)于3個端點。
68HCO5JB4提供了3個控制寄存器。2個中斷寄存器(端點1和端點2共用1個)，同時為端點0提供了8個數(shù)據(jù)發(fā)送/接收寄存器。為端點1和端點2提供了8個共用的數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器。
其功能大致分為四個模塊：USB中斷服務(wù)例程：
命令處理器;獲取命令模塊;報告處理器。
USB中斷服務(wù)例程處理USB不同的通訊信息，發(fā)送端點0的SETUP、IN、0uT等控制信息給命令處理器及協(xié)助報告處理器發(fā)送待決的報告給中斷斷點1.當(dāng)USB設(shè)備第一次連接到總線上，它被指定為一個特定的地址，然后主機發(fā)送命令要求來檢測設(shè)備特性并且選擇不同的設(shè)備參數(shù)。命令處理器模塊分析這些命令要求，按所要求的描述符和參數(shù)響應(yīng)。USB鍵盤控制器被定位為人機接口設(shè)備(HID)。它不僅需要響應(yīng)標準的USB協(xié)議要求，還要響應(yīng)HID子協(xié)議的要求。同時為了完成信息的傳輸。設(shè)備還必須至少支持一種中斷端點。另外為了使數(shù)據(jù)能被BIOS正確解釋，USB鍵盤控制器必須按照報告定義的格式輸入。
報告處理器負責(zé)按規(guī)定格式轉(zhuǎn)換無線接收模塊接收的數(shù)據(jù)，并請求中斷服務(wù)例程通過中斷管道發(fā)送報告。無線接收模塊隨時準備接收無線發(fā)送模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，修改報告數(shù)據(jù)字節(jié)。待一個完整的數(shù)據(jù)包接收完成后，即通知報告處理器。
命令處理器主要處理USB的一般命令和HID的特有命令。獲取命令模塊主要是模擬實現(xiàn)SCI的接收功能。由于MC68HCO5JB4沒有SCI模塊。為了正確接收數(shù)據(jù)，利用MC68HCO5JB4內(nèi)含的16位時鐘的輸入捕捉(ICAP)和輸出比較(OCMP)功能，模擬實現(xiàn)了SCI的接收功能。每次SCI數(shù)據(jù)接收后都存入緩沖區(qū)。
待一個完整的數(shù)據(jù)包接收完畢。就設(shè)置標志位。通知報告處理器數(shù)據(jù)已準備好。如果USB通信陷入停頓。
緩沖區(qū)有可能被充滿，這時SCI的數(shù)據(jù)接收將被禁止。報告處理器負責(zé)生成標準的USB報告。
實現(xiàn)USB鍵盤控制器特有的掛起與喚醒功能也是設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。USB協(xié)議規(guī)定。當(dāng)總線處于空閑態(tài)超過3ms時?？刂破鞅仨氝M入掛起狀態(tài)。而掛起的控制器從總線上吸收的電流必須小于500uA.
MC68HCO5JB4的掛起通過設(shè)置USB端點0的中斷寄存器中的掛起標志位來實現(xiàn)。協(xié)議規(guī)定的500uA包括了主機端的電纜終端匹配電阻的電流(通常為220uA)，所以對于使用總線電源的控制器而言。進入掛起狀態(tài)通常便意味著總電流功耗不能超過280mA.
這實際上是要求MC68HCO5JB4進入STOP模式。但MC68HCO5JB4在STOP模式下時鐘被禁止，也就是說此時無法接收數(shù)據(jù)。為了解決這個問題。即要控制器不進入掛起狀態(tài)。則通過主機周期性地向控制器發(fā)送包結(jié)束(EOP)信號，間隔時間小于3ms,這樣使控制器永遠處于正常狀態(tài)。
(2)應(yīng)用軟件設(shè)計
本設(shè)計主要針對文檔操作，實現(xiàn)鍵盤的相關(guān)功能。系統(tǒng)設(shè)置了"上頁"、"下頁""返回""關(guān)閉"等四個控制熱鍵?？烧{(diào)用API函數(shù)注冊系統(tǒng)熱鍵代碼。用戶使用鍵盤控制器前。先在主機的應(yīng)用程序界面設(shè)置需要操作的文檔參數(shù)。啟動控制熱鍵后，SC2262被觸動并開始發(fā)送數(shù)據(jù)，此時主機方主動查詢是否有數(shù)據(jù)發(fā)送。實現(xiàn)時實監(jiān)控。當(dāng)SC2272接收到數(shù)據(jù)后，即通過SCI接口電路發(fā)送數(shù)據(jù)給微控制器MC68HCO5JB4,最后MC68HCO5JB4通過USB接12I向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。主機接收后執(zhí)行相應(yīng)的操作。主要流程圖如圖5所示。
圖5 軟件流程圖
結(jié)語
本設(shè)計方案適用于多媒體輔助環(huán)境下的課堂教學(xué)、講座等，可進行遠達十米以上的遠程遙控電腦工作，效果良好。同時，它也為便攜式的無線通訊外設(shè)系統(tǒng)提供了方便、快捷和可靠的接12I解決
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