基于HID協(xié)議的工控自定義鍵盤接口設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)備智能化改造大趨勢(shì)下，嵌入式計(jì)算機(jī)大量的應(yīng)用到工控系統(tǒng)中，自定義工控鍵盤的應(yīng)用也變得越來越廣泛。本文提出一種基于USB HID協(xié)議的自定義鍵盤設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單功能實(shí)用，免驅(qū)動(dòng)自動(dòng)識(shí)別。很好的解決了按需定制鍵盤設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，方便了系統(tǒng)上位機(jī)軟件編程，貼近工程實(shí)踐，應(yīng)用前景廣闊。

隨著智能化工控設(shè)備的推廣，越來越多的工控設(shè)備采用嵌入式計(jì)算機(jī)作為其控制核心。以嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為平臺(tái)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，需要進(jìn)行控制單元硬件和用戶應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，不可避免的需要用到人機(jī)交互設(shè)備，以完成操作人員對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制，工控鍵盤作為最常用的一類輸入設(shè)備，進(jìn)入了我們的視線。

工控鍵盤區(qū)別與標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，它所有按鍵是為滿足特定產(chǎn)品需求而設(shè)計(jì)，常用接口有PS/2和USB。USB設(shè)備具有支持熱插拔和楨采集速率高等優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代原來的PS/2設(shè)備，成為市場(chǎng)的主流。本文主要介紹一種USB接口的自定義工控鍵盤的設(shè)計(jì)，解決智能化數(shù)控設(shè)備中鍵盤定制的問題。

1 USB BID簡(jiǎn)介

USB接口是一種即插即用型的串行總線通信端口，廣泛應(yīng)用于各類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。HID類設(shè)備屬于人機(jī)交互操作的設(shè)備，是USB設(shè)備中比較大的一個(gè)類，用于控制計(jì)算機(jī)操作，如USB鼠標(biāo)，USB鍵盤等設(shè)備。操作系統(tǒng)自帶了HID類的驅(qū)動(dòng)程序，免去了驅(qū)動(dòng)程序的編寫，因此一些簡(jiǎn)單的USB設(shè)備，喜歡枚舉成HID設(shè)備，方便了設(shè)計(jì)也方便了使用。

所有HID設(shè)備通過USB的控制管道(默認(rèn)管道，即端點(diǎn)0)和中斷管道與主機(jī)通信。控制管道主要用于：接收USB主機(jī)的控制請(qǐng)示及相關(guān)的類數(shù)據(jù);在USB主機(jī)查詢時(shí)傳輸數(shù)據(jù);接收USB主機(jī)的數(shù)據(jù)。中斷管道主要用于：USB主機(jī)接收USB設(shè)備的異步傳輸數(shù)據(jù);USB主機(jī)發(fā)送有實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)給USB設(shè)備。

要讓計(jì)算機(jī)將一個(gè)HID設(shè)備識(shí)別為鍵盤設(shè)備，要完成的主要工作是修改HID設(shè)備的描述符。HID設(shè)備的描述符主要包括5個(gè)USB的標(biāo)準(zhǔn)描述符(設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符、字符串描述符)和3個(gè)HID設(shè)備類特定描述符(HID描述符、報(bào)告描述符、實(shí)體描述符)。修改描述符可以將HID設(shè)備枚舉為鼠標(biāo)、鍵盤及其他HID設(shè)備。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

USB自定義工控鍵盤從系統(tǒng)構(gòu)成上看主要分為鍵盤部分設(shè)計(jì)和USB接口設(shè)計(jì)兩部分。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

其中鍵盤掃描部分軟硬件設(shè)計(jì)根據(jù)具體鍵盤定制要求，預(yù)留足夠的I/O，設(shè)計(jì)方案大致相同。USB接口部分，目前微處理器實(shí)現(xiàn)USB通信的方案比較多，主要有以下3種：1)單片機(jī)+PDIUSBD12芯片結(jié)構(gòu);2)采用Cypress公司的集成了USB2.0協(xié)議的微處理器CY7C68013A芯片;3)選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列處理器。3種方案各有優(yōu)勢(shì)，單片機(jī)+PDIUSBD12芯片結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低廉;采用CY7C68013A芯片，集成度高，自帶協(xié)議開發(fā)方便;選用STM32系列處理器，電路簡(jiǎn)單、性能優(yōu)異、擴(kuò)展性強(qiáng)、有豐富的固件資源，方便開發(fā)。

作為新一代32位處理器STM32系列，性能提升是顯而易見的，價(jià)格也比較合理，性價(jià)比非常高，有很廣闊的應(yīng)用前景。因此，這里構(gòu)建USB工控鍵盤硬件平臺(tái)采用STM32F103C8T6處理芯片。

3 硬件設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6是中等容量的STM32產(chǎn)品，它基于ARM的Cortex-M3內(nèi)核，具有64K片上閃存，LOFP-48封裝，USB接口及豐富的其他外設(shè)接口。使用STM32F103C8T6設(shè)計(jì)USB通信接口，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，電路原理圖如圖2所示。

圖中J1為USB接口直接與STM32處理器PA11、PA12相連，J3、J4為鍵盤掃描接口，共引出16個(gè)IO，最多可掃描8*8矩陣鍵盤即64個(gè)按鍵。其余電路為處理器最小系統(tǒng)電路。

4 軟件設(shè)計(jì)

ST公司給我們提供了詳盡的The USB—FS—Device library固件庫，固件庫程序結(jié)構(gòu)清晰，主要分為底層和上層兩個(gè)部分。

1)底層結(jié)構(gòu)包括5個(gè)文件：usb_core.c(USB總線數(shù)據(jù)處理的核心文件)，usb_init.c，usb_int.c(用于端點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入輸入中斷處理)，usb_mem.c(用于緩沖區(qū)操作)，usb_regs.c(用于寄存器操作)。

2)上層結(jié)構(gòu)總共5個(gè)文件：hw_config.c(用于USB硬件配置)、usb_pwr.c(用于USB連接、斷開操作)、usb_istr.c(直接處理USB中斷)、usb_prop.c(用于上層協(xié)議處理，比如HID協(xié)議，大容量存儲(chǔ)設(shè)備協(xié)議)、usb_desc.c(具體設(shè)備的相關(guān)描述符定義和處理)。

基于STM32 USB固件庫的主程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

設(shè)備初始化所做的工作主要有：初始化時(shí)鐘系統(tǒng)、GPIO及相關(guān)設(shè)備;配置USB所用到的中斷;配置和使能USB時(shí)鐘;初始化全局指針。

進(jìn)入主程序大循環(huán)后，掃描按鍵改動(dòng)，按鍵有變動(dòng)，通過SendReport()函數(shù)將按鍵狀態(tài)發(fā)送到USB主機(jī)。實(shí)際上這里只是將數(shù)據(jù)寫入IN端點(diǎn)緩沖區(qū)，主機(jī)的IN令牌包來的時(shí)候，SIE負(fù)責(zé)把它返回給主機(jī)。

5 系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用

軟件設(shè)計(jì)完成后，將程序下載到STM32處理器中，連接計(jì)算機(jī)USB給處理器上電，在完成設(shè)備初始化后，打開計(jì)算機(jī)設(shè)備管理器可以看到鍵盤設(shè)備中新增一項(xiàng)HID Keyboard Device(如圖4)，這時(shí)鍵盤設(shè)備已經(jīng)作為標(biāo)準(zhǔn)HID設(shè)備被計(jì)算機(jī)識(shí)別了。

接下來要進(jìn)行的工作要根據(jù)鍵盤定制要求，查閱HID用途表文檔，確定工控鍵盤上行列值對(duì)應(yīng)的按鍵代碼，修改函數(shù)SendReport()，完成鍵盤定制程序設(shè)計(jì)。函數(shù)SendReport()返回8字節(jié)報(bào)告暫存在數(shù)組Buf[8]中。通過報(bào)告描述符的定義及HID用途表文檔，可知Buf[0]的D0是左Ctrl鍵，D1是左Shift鍵，D2是左Alt鍵，D3是左GUI(即Window鍵)，D4是右Ctrl，D5是右Shift，D6是右Alt，D7是右GUI鍵。Buf[1]保留，值為0。Buf[2]-Buf[7]為鍵值，最多可以有6個(gè)。

6 結(jié)論

在工業(yè)控制應(yīng)用領(lǐng)域，工控鍵盤定制屢見不鮮。本文通過對(duì)USB HID設(shè)備的研究，提出自定義USB工控鍵盤設(shè)計(jì)，電路簡(jiǎn)單，成本低廉，無需驅(qū)動(dòng)自動(dòng)識(shí)別，具有很高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。