無線USB接口鍵盤控制器的設(shè)計(jì)方案

 摘 要：通用串行總線USB是一種嶄新的微機(jī)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(jì)方案，包括硬件設(shè)計(jì)、設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。

引言

在目前的多媒體演示環(huán)境中，缺少遠(yuǎn)距離可操控計(jì)算機(jī)的設(shè)備。講授者只能站在講臺上來操作計(jì)算機(jī)，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(gè)問題，本文設(shè)計(jì)了一種可遠(yuǎn)距離操控計(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)方案以無線發(fā)送/接收器為基礎(chǔ)，用戶通過所設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)，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(jì)

(1)連接卡設(shè)計(jì)

此方案中，通過USB口與主機(jī)直接連接的是自行設(shè)計(jì)的連接卡。該卡上集成了兩個(gè)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(jī)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?shí)現(xiàn)USB總線上的數(shù)據(jù)通訊。MC68HCO5JB4提供了兩個(gè)端口分別與電纜的D+、D-相連;同時(shí)提供了一個(gè)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(gè)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(shí)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(jì)

在信號的編碼/解碼方面，本設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)。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(jì)有較大的擴(kuò)展性。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)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(jì)等三個(gè)部分。

(1)MC68HC05JB4的主控模塊。

MC68HC05JB4的主控模塊設(shè)計(jì)主要完成兩個(gè)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(jī)與連接卡之間的USB總線通訊，自動處理主機(jī)的控制和查詢命令。

對于功能二的實(shí)現(xiàn)，MC68HCO5JB4中的USB模塊提供了3個(gè)端點(diǎn)。其中端點(diǎn)0通過控制傳輸與主機(jī)通訊，端點(diǎn)1和端點(diǎn)2則使用中斷傳輸。把端點(diǎn)0看作是設(shè)備的控制和狀態(tài)寄存器，而端點(diǎn)1和端點(diǎn)2則是設(shè)備的兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。對應(yīng)于3個(gè)端點(diǎn)。

68HCO5JB4提供了3個(gè)控制寄存器。2個(gè)中斷寄存器(端點(diǎn)1和端點(diǎn)2共用1個(gè))，同時(shí)為端點(diǎn)0提供了8個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送/接收寄存器。為端點(diǎn)1和端點(diǎn)2提供了8個(gè)共用的數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器。

其功能大致分為四個(gè)模塊：USB中斷服務(wù)例程：

命令處理器;獲取命令模塊;報(bào)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(diǎn)0的SETUP、IN、0uT等控制信息給命令處理器及協(xié)助報(bào)告處理器發(fā)送待決的報(bào)告給中斷斷點(diǎn)1.當(dāng)USB設(shè)備第一次連接到總線上，它被指定為一個(gè)特定的地址，然后主機(jī)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(jī)接口設(shè)備(HID)。它不僅需要響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的USB協(xié)議要求，還要響應(yīng)HID子協(xié)議的要求。同時(shí)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(diǎn)。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(bào)告定義的格式輸入。

報(bào)告處理器負(fù)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(bào)告。無線接收模塊隨時(shí)準(zhǔn)備接收無線發(fā)送模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，修改報(bào)告數(shù)據(jù)字節(jié)。待一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包接收完成后，即通知報(bào)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(shí)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(shí)鐘的輸入捕捉(ICAP)和輸出比較(OCMP)功能，模擬實(shí)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(gè)完整的數(shù)據(jù)包接收完畢。就設(shè)置標(biāo)志位。通知報(bào)告處理器數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好。如果USB通信陷入停頓。

緩沖區(qū)有可能被充滿，這時(shí)SCI的數(shù)據(jù)接收將被禁止。報(bào)告處理器負(fù)責(zé)生成標(biāo)準(zhǔn)的USB報(bào)告。

實(shí)現(xiàn)USB鍵盤控制器特有的掛起與喚醒功能也是設(shè)計(jì)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(shí)。控制器必須進(jìn)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(diǎn)0的中斷寄存器中的掛起標(biāo)志位來實(shí)現(xiàn)。協(xié)議規(guī)定的500uA包括了主機(jī)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(jìn)入掛起狀態(tài)通常便意味著總電流功耗不能超過280mA.

這實(shí)際上是要求MC68HCO5JB4進(jìn)入STOP模式。但MC68HCO5JB4在STOP模式下時(shí)鐘被禁止，也就是說此時(shí)無法接收數(shù)據(jù)。為了解決這個(gè)問題。即要控制器不進(jìn)入掛起狀態(tài)。則通過主機(jī)周期性地向控制器發(fā)送包結(jié)束(EOP)信號，間隔時(shí)間小于3ms,這樣使控制器永遠(yuǎn)處于正常狀態(tài)。

(2)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要針對文檔操作，實(shí)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(gè)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(jī)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(shí)主機(jī)方主動查詢是否有數(shù)據(jù)發(fā)送。實(shí)現(xiàn)時(shí)實(shí)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(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。主機(jī)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(jì)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(jìn)行遠(yuǎn)達(dá)十米以上的遠(yuǎn)程遙控電腦工作，效果良好。同時(shí)，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