基于WinCE操作系統(tǒng)的通用USB數(shù)控鍵盤設(shè)計(jì)

摘要： 提出了一個(gè)基于WinCE操作系統(tǒng)的通用USB數(shù)控鍵盤設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了鍵盤與主機(jī)之間快速靈活的數(shù)據(jù)通信。
關(guān)鍵詞： 嵌入式；USB；數(shù)控鍵盤；WinCE

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，機(jī)械制造行業(yè)也面臨著如何適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化制造的問題。于是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳統(tǒng)的控制技術(shù)相結(jié)合，以嵌入式系統(tǒng)為主的數(shù)控系統(tǒng)正日益成為機(jī)械制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)。對于一個(gè)具體的數(shù)控系統(tǒng)，在通過鍵盤作為人機(jī)交互工具時(shí)，按鍵的數(shù)目與功能上與其他的數(shù)控系統(tǒng)是不同的，實(shí)時(shí)性和高速率是工業(yè)現(xiàn)場所重視的，USB數(shù)控鍵盤相對于傳統(tǒng)的PS/2鍵盤具有高速率、支持熱插拔、可靈活配置等特點(diǎn)，所以要為嵌入式數(shù)控設(shè)備研發(fā)出通用的數(shù)控鍵盤，來滿足現(xiàn)代化數(shù)控系統(tǒng)的需求。具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)(圖1)有四個(gè)模塊組成：鍵盤模塊、USB接口模塊、USB和MCU通信模塊。USB數(shù)控鍵盤不需要顯示模塊，在實(shí)驗(yàn)中為了便于觀察結(jié)果，采用了1602液晶顯示器，來顯示鍵值和通信的狀態(tài)。AT89S55單片機(jī)和ZLG7290均采用上電復(fù)位電路，減少系統(tǒng)的不必要開支，整個(gè)電路的供電采用USB供電，有效的減少了電源干擾。

ZLG7290鍵盤模塊

ZLG7290鍵盤編碼顯示芯片具有I2C總線接口功能并可直接驅(qū)動8 位共陰式數(shù)碼管(或64 只獨(dú)立的LED)，同時(shí)還可以掃描管理多達(dá)64 只按鍵，其中有8 只按鍵還可以作為功能鍵使用。ZLG7290 內(nèi)部還設(shè)置有連擊計(jì)數(shù)器，能夠使鍵按下后不松手而連續(xù)有效。并提供鍵盤中斷信號，方便與處理器接口；可檢測每個(gè)按鍵的連擊次數(shù)，并具有鍵盤去抖動處理、雙鍵互鎖處理等功能。  
 
在設(shè)計(jì)的過程中可以連接64個(gè)按鍵，但是在試驗(yàn)的過程中，選取了具有代表性的4個(gè)按鍵，其中有一個(gè)功能鍵F1，如圖2所示。電路中晶振是4MHz，能夠穩(wěn)定地工作。MCU的地線一定要與ZLG7290的地線相連接，避免I2C通信故障，使得I2C通信順暢。

圖2 鍵盤電路設(shè)計(jì)簡圖

I2C 總線的器件SDA 和SCL 引腳都是漏極開路(或集電極開路)輸出結(jié)構(gòu)。因此實(shí)際使用時(shí)，它們都必須要加上拉電阻。上拉電阻一般取值3~10kW。

USB接口模塊

USB 通過4線電纜接入主機(jī), 這4 條線分別為: VCC(總線電源)、GND(地線)、D+和D-(數(shù)據(jù)線)。D12DM和D12DP分別連接到PDIUSBD12芯片的 D- 和 D+引腳。D+和D- 線上必須串接18W+1%的精密電阻,D+和D- 線必須分別用1MW的上拉電阻(3.3V)和下拉電阻,USB接口的VBUS為來自PC機(jī)的+5V電源，用于供給ZLG7290、MCU和PDIUSBD12的電源，VCC和GND分別接2個(gè)電感，起到電源的濾波作用。

PDIUSBD12和MCU通信模塊

PDIUSBD12是Philips(編者注：現(xiàn)獨(dú)立為NXP)公司的一款特點(diǎn)突出的USB接口芯片，它支持多路復(fù)用、非多路復(fù)用和DMA并行傳輸。PDIUSBD12需要外接MCU來進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。

PDIUSBD12完全遵從USB1.1協(xié)議，它內(nèi)部集成有串行接口引擎(SIE)、FIFO存儲器、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器。還有SoftConnectTM、PLL鎖相環(huán)、可編程的時(shí)鐘輸出、低頻晶振、終止寄存器和GoodLinkTM，以及并行和DMA傳輸。

由AT89S55 和PDIUSBD12 構(gòu)成的接口電路如圖3所示，在此AT89S55沒有畫出，但是D12與MCU的連接都已標(biāo)出。 PDIUSBD12 的8 位并行數(shù)據(jù)接入AT89S55的P0口，設(shè)計(jì)電路中只有D12一個(gè)外部總線擴(kuò)展電路，那么D12 的A0引腳可通過10kW電阻到地。D12 的ALE引腳與MCU的ALE引腳相連。振蕩電路采用6MHz，經(jīng)過D12內(nèi)部倍頻電路以后，實(shí)際D12內(nèi)部時(shí)鐘為24MHz。注意兩個(gè)電容值的大小是不一樣的，采用22pF和68pF的。

圖3  PDIUSBD12與MCU通信電路

GL_N通過一個(gè)電阻和紅色LED串聯(lián)到VCC。當(dāng)USB設(shè)備枚舉成功后,該LED常亮，當(dāng)PC機(jī)與D12有數(shù)據(jù)通信時(shí)，該LED閃爍。因?yàn)闆]有用到D12的DMA功能,所以DMACK_N 和EOT_N 必須接上拉電阻，INT_N也要通過電阻上拉到VCC，因?yàn)檫@個(gè)引腳是開漏的。

系統(tǒng)軟件

軟件設(shè)計(jì)包括ZLG7290控制程序、I2C通信程序、USB固件程序、在WinCE下USB Host驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。各部分采用模塊化程序設(shè)計(jì)，便于升級和維護(hù)。WinCE下USB數(shù)控鍵盤的驅(qū)動程序與硬件平臺關(guān)聯(lián)很少，USB數(shù)控鍵盤在WinCE操作系統(tǒng)下具有通用性，并且該鍵盤的按鍵數(shù)目根據(jù)用戶的要求可以剪裁，功能也可以在程序設(shè)計(jì)中定制，可以滿足不同數(shù)控系統(tǒng)的需求。

I2C通信程序

在程序設(shè)計(jì)時(shí)要注意：數(shù)據(jù)線SDA 的電平狀態(tài)必須在時(shí)鐘線SCL 處于高電平期間保持穩(wěn)定不變，SDA 的電平狀態(tài)只有在SCL 處于低電平期間才允許改變。但是在I2C總線的起始和結(jié)束時(shí)例外。

I2C總線總是以字節(jié)為單位收發(fā)數(shù)據(jù)。每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量沒有嚴(yán)格限制。首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位(MSB，第7位)，最后傳輸?shù)氖亲畹臀?LSB，第0位)。另外，每個(gè)字節(jié)之后還要跟一個(gè)響應(yīng)位，稱為應(yīng)答。

ZLG7290控制程序

該程序的主要功能是完成ZLG7290的控制及鍵盤的管理，讀出鍵值并判斷出是否為功能鍵，在系統(tǒng)中功能鍵是配合普通鍵完成對數(shù)控系統(tǒng)的操作。主要流程就是先初始化、判斷是否有鍵按下,若有鍵按下，判斷是普通鍵還是功能鍵, 若為功能鍵, 則進(jìn)行功能鍵處理， 若為普通鍵, 則轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的值，將鍵值顯示在1602液晶顯示器上。

PDIUSBD12固件程序

固件設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是使PDIUSBD12在USB上達(dá)到最大的傳輸速率。PDIUSBD12的固件設(shè)計(jì)成完全的中斷驅(qū)動。當(dāng)CPU處理前臺任務(wù)時(shí)，USB的傳輸可以在后臺進(jìn)行。這就確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結(jié)構(gòu)，同時(shí)簡化了編程和調(diào)試。

后臺ISR(中斷服務(wù)程序)和前臺主程序之間的數(shù)據(jù)交換可以通過事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)，其原理圖如圖4所示。在ISR中，固件將數(shù)據(jù)包從PDIUSBD12內(nèi)部緩沖區(qū)移到循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并在隨后清零PDIUSBD12的內(nèi)部緩沖區(qū)，以便接受新的數(shù)據(jù)包。CPU可以繼續(xù)當(dāng)前的前臺任務(wù)直到完成。

圖4 前后臺工作原理

對于這種結(jié)構(gòu)，主循環(huán)不關(guān)心數(shù)據(jù)是否來自USB、串口還是并口，其只檢查循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)需要處理的新數(shù)據(jù)。主循環(huán)程序?qū)Ｗ⒂跀?shù)據(jù)的處理，而ISR 能夠以最大可能的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，相似的控制端點(diǎn)在數(shù)據(jù)包處理時(shí)采用了同樣的概念，ISR 接收和保存數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的控制傳輸并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志寄存器，主循環(huán)向協(xié)議處理程序發(fā)出請求，由于所有的標(biāo)準(zhǔn)器件級別和廠商請求都是在協(xié)議處理程序中進(jìn)行處理，ISR 得以保持它的效率而且一旦增加新的請求只需要在協(xié)議層進(jìn)行修改。

USB在WinCE下驅(qū)動程序和應(yīng)用程序

整個(gè)系統(tǒng)采用的是ARM9微處理器作為主機(jī)，并且選用ARM9中的S3C2410作為系統(tǒng)的核心控制器。S3C2410內(nèi)部集成了USB設(shè)備控制器，完全兼容USB1.1協(xié)議并且集成了USB收發(fā)器。WinCE操作系統(tǒng)下有自帶的一些驅(qū)動程序，但是這些驅(qū)動程序不能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，所以需要編寫USB Host驅(qū)動程序。

應(yīng)用程序是系統(tǒng)與用戶的接口, 它通過通用驅(qū)動程序完成對外設(shè)的控制和通信。主機(jī)用戶程序的編寫使用EVC++ 編譯環(huán)境下的API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)。程序中主要用到兩個(gè)API 函數(shù): CreateFile( )和DeviceIoControl( )。首先查找設(shè)備, 打開設(shè)備的句柄: 調(diào)用Win32 函數(shù)CreatFile( )得到設(shè)備驅(qū)動程序的句柄。然后進(jìn)行讀寫和控制操作: 調(diào)用Win32 函數(shù)DeviceIoControl(),通過得到的句柄把IoControlCode 和相關(guān)的輸入輸出緩沖區(qū)提交給驅(qū)動程序。最后關(guān)閉設(shè)備句柄: 當(dāng)退出應(yīng)用程序時(shí), 用CloseHandle ( )關(guān)閉設(shè)備。

結(jié)語

本文提出的嵌入式數(shù)控鍵盤已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，在項(xiàng)目組測試中達(dá)到了預(yù)期的效果。用USB鍵盤輸入時(shí)，在WinCE操作系統(tǒng)下使用記事本的方式在LCD上顯示鍵值，并且在應(yīng)用程序中可以根據(jù)用戶需求定制按鍵的具體功能，滿足數(shù)控系統(tǒng)的需要。

參考文獻(xiàn)：
1.  http://www.microsoft.com/
2.  何宗鍵編著, Windows CE嵌入式系統(tǒng)，北京航空航天大學(xué)出版社，2006
3.  周立功等編著, ‘PDIUSBD12 USB固件程序與驅(qū)動開發(fā)’, 北京航空航天大學(xué)出版社，2003