嵌入式設(shè)備鼠標(biāo)接口的設(shè)計與實現(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)計方法，配合點陣LCD顯示器，實現(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)，在點陣LCD的單片機(jī)系統(tǒng)上實現(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，具有很強(qiáng)的實用性。

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。即每在時鐘線上發(fā)一個脈沖，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)，即它可以在任何時候抑制鼠標(biāo)的發(fā)送。方法是把時鐘線一直拉低，鼠標(biāo)就不能產(chǎn)生時鐘信號和發(fā)送數(shù)據(jù)。在兩個方向的傳輸中，時鐘信號都是由鼠標(biāo)產(chǎn)生，即主機(jī)不產(chǎn)生通信時鐘信號。

如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)，它必須控制鼠標(biāo)產(chǎn)生時鐘信號。方法如下：主機(jī)首先下拉時鐘線至少100μs抑制通信，然后再下拉數(shù)據(jù)線，最后釋放時鐘線。通過這一時序控制鼠標(biāo)產(chǎn)生時鐘信號。當(dāng)鼠標(biāo)檢測到這個時序狀態(tài)，會在10ms內(nèi)產(chǎn)生時鐘信號。如圖3中?A時序段。主機(jī)和鼠標(biāo)之間，傳輸數(shù)據(jù)幀的時序如圖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，會及時把它的狀態(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軸方向的移動計量值，是二進(jìn)制補(bǔ)碼值。Byte4的低四位表示滾輪的移動計量值，也是二進(jìn)制補(bǔ)碼值，高四位作為擴(kuò)展符號位。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)計與實現(xiàn) 3.1 接口設(shè)計 因為PS/2鼠標(biāo)接口采用雙向同步串行協(xié)議，時鐘脈沖信號?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，利用每個數(shù)據(jù)位的時鐘脈沖觸發(fā)中斷，在中斷例程中實現(xiàn)數(shù)據(jù)位的判斷和接收。在實驗過程中，通過合適的編程，能夠正確控制并接收鼠標(biāo)數(shù)據(jù)。但該方案有一點不足，由于每個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)幀的時序與單片機(jī)的UART異步串行時序類似。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。參照圖4? 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。因為鼠標(biāo)已處于Stream模式的工作狀態(tài)，這時鼠標(biāo)能主動發(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，必須實現(xiàn)另一個功能：主機(jī)波特率的自適應(yīng)。因為PS/2接口的鼠標(biāo)一般工作在10kHz～20kHz時鐘頻率。不同廠家制造的鼠標(biāo)工作的時鐘頻率不同。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)是這樣實現(xiàn)：鼠標(biāo)上電自檢時會產(chǎn)生一串時鐘脈沖，利用鼠標(biāo)時鐘脈沖產(chǎn)生的中斷，結(jié)合主機(jī)的定時器測量時鐘脈沖周期，可以得出所用鼠標(biāo)的時鐘頻率，進(jìn)而求出波特率。通過設(shè)置相應(yīng)的波特率寄存器，實現(xiàn)了波特率的自適應(yīng)。 3.2 軟件實現(xiàn)

軟件實現(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)送一個使能鼠標(biāo)數(shù)據(jù)傳送命令字節(jié)(0xf4)，鼠標(biāo)就會在默認(rèn)設(shè)置狀態(tài)下工作。主機(jī)也可實現(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/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)每收到一個命令字節(jié)都會給出一個應(yīng)答字節(jié) (0xfa)。 (2)兩種方案的實現(xiàn)過程 兩種方案的軟件實現(xiàn)過程基本相同。只是后一種方案中，初始化時還要實現(xiàn)主機(jī)波特率的自適應(yīng)，關(guān)閉時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)的實現(xiàn) 在點陣式LCD顯示屏上實現(xiàn)圖形化的人機(jī)接口界面，主要有兩個方面：一個是菜單圖標(biāo)的實現(xiàn);另一個是鼠標(biāo)光標(biāo)的實現(xiàn)。實現(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)實現(xiàn)：void Draw_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是各個圖標(biāo)及其不同顯示狀態(tài)的點陣碼值。反顯狀態(tài)是當(dāng)圖標(biāo)被光標(biāo)滑到或點取時才顯現(xiàn)的。實現(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)移動較快時，畫出光標(biāo)的點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)移動位置，無需程序畫出光標(biāo)的點陣圖形，因而耗用主機(jī)資源較少，實現(xiàn)起來效果較好。 兩種方案簡單、明了，容易實現(xiàn)，都已在實驗中得到驗證。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。