嵌入式設(shè)備鼠標(biāo)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：分析了ＰＳ／２鼠標(biāo)的接口和通信協(xié)議，介紹了ＰＳ／２鼠標(biāo)與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)方法，配合點(diǎn)陣ＬＣＤ顯示器，實(shí)現(xiàn)了嵌入式設(shè)備的圖形化人機(jī)接口（ＧＵＩ）。
關(guān)鍵詞：ＰＳ／２接口 雙向同步串行協(xié)議 ＧＵＩ

當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的人機(jī)接口多采用小鍵盤操作的文本菜單方式，用戶操作較為不便。本文介紹了一種利用ＰＳ／２接口鼠標(biāo)，在點(diǎn)陣ＬＣＤ的單片機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)圖形化用戶界面的方案。用窗口菜單和圖形按鈕取代了傳統(tǒng)的鍵盤操作，具有成本低、效果好等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

１ ＰＳ／２接口和協(xié)議

１．１ 接口的物理特性

ＰＳ／２接口用于許多現(xiàn)代的鼠標(biāo)和鍵盤，由ＩＢＭ最初開發(fā)和使用。物理上的ＰＳ／２接口有兩種類型的連接器：５腳的ＤＩＮ和６腳的ｍｉｎｉ－ＤＩＮ。圖１就是兩種連接器的引腳定義。使用中，主機(jī)提供＋５Ｖ電源給鼠標(biāo)，鼠標(biāo)的地連接到主機(jī)電源地上。

１．２ 接口協(xié)議原理

ＰＳ／２鼠標(biāo)接口采用一種雙向同步串行協(xié)議。即每在時(shí)鐘線上發(fā)一個(gè)脈沖，就在數(shù)據(jù)線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)。在相互傳輸中，主機(jī)擁有總線控制權(quán)，即它可以在任何時(shí)候抑制鼠標(biāo)的發(fā)送。方法是把時(shí)鐘線一直拉低，鼠標(biāo)就不能產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和發(fā)送數(shù)據(jù)。在兩個(gè)方向的傳輸中，時(shí)鐘信號(hào)都是由鼠標(biāo)產(chǎn)生，即主機(jī)不產(chǎn)生通信時(shí)鐘信號(hào)。

    如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)，它必須控制鼠標(biāo)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。方法如下：主機(jī)首先下拉時(shí)鐘線至少１００μｓ抑制通信，然后再下拉數(shù)據(jù)線，最后釋放時(shí)鐘線。通過這一時(shí)序控制鼠標(biāo)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)鼠標(biāo)檢測到這個(gè)時(shí)序狀態(tài)，會(huì)在１０ｍｓ內(nèi)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。如圖３中?Ａ　時(shí)序段。主機(jī)和鼠標(biāo)之間，傳輸數(shù)據(jù)幀的時(shí)序如圖２、圖３所示。

２ ＰＳ／２鼠標(biāo)的工作模式和協(xié)議數(shù)據(jù)包格式

２．１ ＰＳ／２鼠標(biāo)的四種工作模式

ＰＳ／２鼠標(biāo)的四種工作模式是：Ｒｅｓｅｔ模式，當(dāng)鼠標(biāo)上電或主機(jī)發(fā)復(fù)位命令?０ｘＦＦ　給它時(shí)進(jìn)入這種模式；Ｓｔｒｅａｍ模式?鼠標(biāo)的默認(rèn)模式，當(dāng)鼠標(biāo)上電或復(fù)位完成后，自動(dòng)進(jìn)入此模式，鼠標(biāo)基本上以此模式工作；Ｒｅｍｏｔｅ模式，只有在主機(jī)發(fā)送了模式設(shè)置命令?０ｘＦ０　后，鼠標(biāo)才進(jìn)入這種模式；Ｗｒａｐ模式，這種模式只用于測試鼠標(biāo)與主機(jī)連接是否正確。

    ２．２ 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

ＰＳ／２鼠標(biāo)在工作過程中，會(huì)及時(shí)把它的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式如表１所示。

表1 鼠標(biāo)發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式

	Bit7	Bit6	Bit5	Bit4	Bit3	Bit2	Bit1	Bit0
Byte1	Y overflow	X oberflow	X sipn bit	X sign bit	Always 1	Middle Btn	Right Btn	Left Btn
Byte2	X Movement
Byte3	Y Movement
Byte4	Z Movement

Ｂｙｔｅ１中的Ｂｉｔ０、Ｂｉｔ１、Ｂｉｔ２分別表示左、右、中鍵的狀態(tài)，狀態(tài)值０表示釋放,１表示按下。Ｂｙｔｅ２和Ｂｙｔｅ３分別表示Ｘ軸和Ｙ軸方向的移動(dòng)計(jì)量值，是二進(jìn)制補(bǔ)碼值。Ｂｙｔｅ４的低四位表示滾輪的移動(dòng)計(jì)量值，也是二進(jìn)制補(bǔ)碼值，高四位作為擴(kuò)展符號(hào)位。這種數(shù)據(jù)包由帶滾輪的三鍵三維鼠標(biāo)產(chǎn)生。若是不帶滾輪的三鍵鼠標(biāo)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包沒有Ｂｙｔｅ４?其余的相同。

３ 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

３．１ 接口設(shè)計(jì)

因?yàn)椋校樱彩髽?biāo)接口采用雙向同步串行協(xié)議，時(shí)鐘脈沖信號(hào)?以下皆稱ＣＬＯＣＫ　總是由鼠標(biāo)產(chǎn)生。因此，可以考慮這種方案：鼠標(biāo)的ＣＬＯＣＫ接主機(jī)的一外中斷線，數(shù)據(jù)線?以下皆稱ＤＡＴＡ　接主機(jī)的某一Ｉ／Ｏ口線，如圖４所示。

    在主機(jī)程序中，利用每個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)鐘脈沖觸發(fā)中斷，在中斷例程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)位的判斷和接收。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過合適的編程，能夠正確控制并接收鼠標(biāo)數(shù)據(jù)。但該方案有一點(diǎn)不足，由于每個(gè)ＣＬＯＣＫ都要產(chǎn)生一次中斷，中斷頻繁，需要耗用大量的主機(jī)資源。

由于鼠標(biāo)與主機(jī)之間以雙向同步串行協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，若不考慮ＣＬＯＣＫ，僅考慮ＤＡＴＡ，則其數(shù)據(jù)幀的時(shí)序與單片機(jī)的ＵＡＲＴ異步串行時(shí)序類似。所以，采用了另一種方案：鼠標(biāo)的ＣＬＯＣＫ仍舊接主機(jī)的外中斷，但鼠標(biāo)的ＤＡＴＡ接ＵＡＲＴ的接收腳?ＲｘＤ　。參照?qǐng)D４?ＤＡＴＡ改接ＲｘＤ。在初始化過程中，主機(jī)利用ＣＬＯＣＫ的外中斷和ＲｘＤ腳的Ｉ／Ｏ口線功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。初始化完成后，切換到ＲｘＤ功能?即ＵＡＲＴ的接收引腳功能　。因?yàn)槭髽?biāo)已處于Ｓｔｒｅａｍ模式的工作狀態(tài)，這時(shí)鼠標(biāo)能主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣，主機(jī)可以在每收到一幀數(shù)據(jù)時(shí)才中斷一次。中斷次數(shù)大大降低，減少了主機(jī)資源的耗用。

不過，在此方案中，必須實(shí)現(xiàn)另一個(gè)功能：主機(jī)波特率的自適應(yīng)。因?yàn)椋校樱步涌诘氖髽?biāo)一般工作在１０ｋＨｚ～２０ｋＨｚ時(shí)鐘頻率。不同廠家制造的鼠標(biāo)工作的時(shí)鐘頻率不同。嵌入設(shè)備主機(jī)要做到與不同鼠標(biāo)的波特率同步和自適應(yīng)，才能夠正確接收鼠標(biāo)傳送來的數(shù)據(jù)。波特率的自適應(yīng)是這樣實(shí)現(xiàn)：鼠標(biāo)上電自檢時(shí)會(huì)產(chǎn)生一串時(shí)鐘脈沖，利用鼠標(biāo)時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生的中斷，結(jié)合主機(jī)的定時(shí)器測量時(shí)鐘脈沖周期，可以得出所用鼠標(biāo)的時(shí)鐘頻率，進(jìn)而求出波特率。通過設(shè)置相應(yīng)的波特率寄存器，實(shí)現(xiàn)了波特率的自適應(yīng)。

３．２ 軟件實(shí)現(xiàn)

    軟件實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖５所示。

(１)鼠標(biāo)初始化

最簡單的初始化就是當(dāng)鼠標(biāo)上電自檢完成后，主機(jī)給鼠標(biāo)發(fā)送一個(gè)使能鼠標(biāo)數(shù)據(jù)傳送命令字節(jié) (０ｘｆ４)，鼠標(biāo)就會(huì)在默認(rèn)設(shè)置狀態(tài)下工作。主機(jī)也可實(shí)現(xiàn)自定義初始化，如：復(fù)位三次(Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆｆ),Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆｆ), Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆｆ)；設(shè)置采樣率：Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆ３),Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘ０ａ)；設(shè)置解析度(２點(diǎn)／毫米)：Ｓｎｄ＿ＣＭＤ (０ｘｅ８),Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘ０１)；設(shè)置縮放比例(１:１):Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｅ６)；使能鼠標(biāo)數(shù)據(jù)傳送:Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆ４)。鼠標(biāo)每收到一個(gè)命令字節(jié)都會(huì)給出一個(gè)應(yīng)答字節(jié)(０ｘｆａ)。

(２)兩種方案的實(shí)現(xiàn)過程

兩種方案的軟件實(shí)現(xiàn)過程基本相同。只是后一種方案中，初始化時(shí)還要實(shí)現(xiàn)主機(jī)波特率的自適應(yīng)，關(guān)閉時(shí)鐘脈沖中斷和打開串口中斷。此后主機(jī)利用ＵＡＲＴ的接收功能接收鼠標(biāo)數(shù)據(jù)。

(３)圖形化人機(jī)接口(ＧＵＩ)的實(shí)現(xiàn)

在點(diǎn)陣式ＬＣＤ顯示屏上實(shí)現(xiàn)圖形化的人機(jī)接口界面，主要有兩個(gè)方面：一個(gè)是菜單圖標(biāo)的實(shí)現(xiàn)；另一個(gè)是鼠標(biāo)光標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)菜單圖標(biāo)，顯示屏一般工作在圖形顯示模式。菜單圖標(biāo)有正常顯示狀態(tài)和反顯狀態(tài)，它們都用函數(shù)實(shí)現(xiàn)：ｖｏｉｄＤｒａｗ＿ＩＣＯＮ(ｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｘＩＣＯＮ, ｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｙＩＣＯＮ,ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ *ｐＤａｔＩＣＯＮ)。ｘＩＣＯＮ?ｙＩＣＯＮ是圖標(biāo)所在位置的左上角坐標(biāo)值，ｐＤａｔＩＣＯＮ是各個(gè)圖標(biāo)及其不同顯示狀態(tài)的點(diǎn)陣碼值。反顯狀態(tài)是當(dāng)圖標(biāo)被光標(biāo)滑到或點(diǎn)取時(shí)才顯現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)光標(biāo)，又分兩種情況。一種是單層顯示的ＬＣＤ，只能由程序畫出鼠標(biāo)光標(biāo)。但是，當(dāng)光標(biāo)移動(dòng)較快時(shí)，畫出光標(biāo)的點(diǎn)陣圖形需要耗用較多的主機(jī)資源。另一種是有雙層顯示和光標(biāo)功能的ＬＣＤ，只需程序控制它的光標(biāo)移動(dòng)位置，無需程序畫出光標(biāo)的點(diǎn)陣圖形，因而耗用主機(jī)資源較少，實(shí)現(xiàn)起來效果較好。

兩種方案簡單、明了，容易實(shí)現(xiàn)，都已在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。并且，后一種方案已在某一儀表系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用?？傮w來說，隨著嵌入式處理器性能的不斷提高，在嵌入設(shè)備中接入鼠標(biāo)，既可靈活使用，也可減少因接入許多按鍵而占用的口線數(shù)，還能使ＬＣＤ的圖形化顯示界面更美觀、更人性化。