基于光傳輸?shù)腢SB鍵盤鼠標(biāo)一體化設(shè)計(jì)

戴 捷，胡曉吉

（中國電子科技集團(tuán)公司 第十五研究所，北京100083）

0 引 言

光纖通信系統(tǒng)具有可靠性高和帶寬寬的特點(diǎn)，因此在遠(yuǎn)程通信中得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于通常計(jì)算機(jī)都不具有支持光纖的接口，因此，開發(fā)基于光纖傳輸?shù)耐ㄓ媒涌谠O(shè)備是很有必要的。此外，光纖能夠有效抵抗電磁干擾，這就使得光傳輸在軍用領(lǐng)域尤為得到青睞。USB接口已經(jīng)是目前應(yīng)用得最為廣泛的外設(shè)接口。基于USB接口的設(shè)備隨處可見，作為計(jì)算機(jī)必備的輸入設(shè)備，USB鍵盤和鼠標(biāo)通常是作為相互獨(dú)立的設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)上的。本文提出了一種單芯片的解決方案，即通過一塊芯片同時(shí)實(shí)現(xiàn)USB鍵盤和鼠標(biāo)的功能，可以稱之為帶鼠標(biāo)功能的鍵盤。為了便于擴(kuò)展，設(shè)計(jì)中沒有專門設(shè)計(jì)鍵盤和鼠標(biāo)的按鍵電路，而是采用通用的USB鍵盤和鼠標(biāo)，通過設(shè)計(jì)一控制電路，來達(dá)到能夠同時(shí)操作鼠標(biāo)和鍵盤的目的。這樣，從主機(jī)的角度來看，只檢測到一個(gè)人體學(xué)輸入設(shè)備；但是，從用戶端看，鼠標(biāo)和鍵盤能夠同時(shí)使用。

1 USB光纖傳輸系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

通用USB鍵盤和鼠標(biāo)同時(shí)插入設(shè)備端的USB接口，鍵盤和鼠標(biāo)通過各自的USB總線通道經(jīng)差分轉(zhuǎn)單端電路轉(zhuǎn)換后，由光發(fā)送器發(fā)送至主機(jī)端；主機(jī)端接收到鍵盤或是鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)后，經(jīng)由FPGA解碼，將數(shù)據(jù)按照USB HID用途表中定義的格式發(fā)送至USB控制芯片CY7C68013，USB控制芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的整合，使之滿足USB協(xié)議的格式，發(fā)往PC機(jī)。

通過對USB控制芯片進(jìn)行編程，使得PC機(jī)能夠識(shí)別該系統(tǒng)為人體學(xué)輸入設(shè)備，并掛至Windows通用HID驅(qū)動(dòng)下。

圖1 USB光纖鍵盤/鼠標(biāo)總體設(shè)計(jì)框架

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 USB接口設(shè)計(jì)

USB接口部分的電路是聯(lián)系USB主機(jī)與USB設(shè)備之間的橋梁。當(dāng)有USB設(shè)備插入主機(jī)時(shí)，主機(jī)能夠識(shí)別到設(shè)備的插入并且知道插入的是何種類型的設(shè)備 （低速/全速/高速），同時(shí)主機(jī)還要完成對設(shè)備的枚舉。

在USB主機(jī)或者USB集線器的下游端口的D＋和D－上，分別接一個(gè)15KΩ的下拉電阻到地。這樣，沒有設(shè)備插入時(shí)，輸入端就被這兩個(gè)下拉電阻拉到了低電平。而在USB設(shè)備端，在D＋或D－上接了一個(gè)1.5KΩ的上拉電阻。上拉電阻接在D＋或D－上，由設(shè)備的速度決定。對于全速和高速設(shè)備，上拉電阻接在D＋上；對于低速設(shè)備，上拉電阻接在D－上。

當(dāng)設(shè)備插入到主機(jī)或集線器時(shí)，接了上拉電阻的那條數(shù)據(jù)線的電壓或被拉高，集線器檢測到這個(gè)高電平就報(bào)告給USB主控制器，這樣就檢測到設(shè)備的插入了，并根據(jù)檢測到被拉高的數(shù)據(jù)線是D＋還是D－來判斷插入的是什么速度類型的設(shè)備。

上述過程完成后，USB主機(jī)緊接著就要完成的是對設(shè)備的枚舉。枚舉就是從設(shè)備讀取各種描述符信息，主機(jī)根據(jù)這些信息來加載合適的驅(qū)動(dòng)程序，從而知道設(shè)備是什么樣的設(shè)備 （是存儲(chǔ)類還是打印機(jī)類又或者是人機(jī)接口類），如何進(jìn)行通信等。本設(shè)計(jì)中需要完成的是一個(gè)光傳輸?shù)逆I盤/鼠標(biāo)，考慮到 Windows操作系統(tǒng)自帶的人機(jī)接口類HID驅(qū)動(dòng)程序，因此，枚舉的主要工作就是將此USB鍵盤/鼠標(biāo)配置成HID類設(shè)備，并且將其掛接到Windows通用HID驅(qū)動(dòng)下。

USB設(shè)備的枚舉可以通過專用芯片實(shí)現(xiàn)或是通過MCU（單片機(jī)或FPGA）編程來模擬。當(dāng)使用MCU來模擬枚舉過程時(shí)，還需要一通用的接口芯片如PDIUSBD12來連接USB差分?jǐn)?shù)據(jù)線接口和MCU接口，在MCU中實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議。這種方式工作量比較大，需要對USB的協(xié)議有比較深入的理解。

Cypress公司推出的EZ－USB FX2芯片CY7C68013實(shí)現(xiàn)了物理協(xié)議芯片和單片機(jī)的集成。其內(nèi)部包含了USB2.0微處理器、USB2.0收發(fā)器、SIE（串行接口引擎）、增強(qiáng)的8051內(nèi)核和可編程的外圍接口。按照硬件電路連接要求完成相應(yīng)的連接后，對內(nèi)部51單片機(jī)進(jìn)行編程也即所謂的固件編程，就可以實(shí)現(xiàn)所需的功能。Cypress提供了固件編程框架，簡化了編程的工作量，只需在框架的基礎(chǔ)上修改或添加代碼就能夠完成固件的編程。本設(shè)計(jì)中，正是采用了專用芯片的解決方案。

2.2 光接口設(shè)計(jì)

光纖接口設(shè)計(jì)主要包括接收模塊和發(fā)送模塊兩部分，它們總是成對的出現(xiàn)。本系統(tǒng)中需要三組收發(fā)模塊。一組用來接收鼠標(biāo)發(fā)送的信息。兩外兩組分別用來接收來自鍵盤的按鍵信息，同時(shí)向鍵盤傳輸來自PC機(jī)的控制信息：數(shù)字鍵盤鎖定燈和大寫字母鎖定燈的控制信息。

2.3 其他部分設(shè)計(jì)

此外，設(shè)計(jì)中還用到兩組單端/差分轉(zhuǎn)換電路，用來將USB差分信號轉(zhuǎn)成單端信號，或是將單端信號轉(zhuǎn)成USB差分信號對。

FPGA部分的設(shè)計(jì)注意對輸入輸出信號進(jìn)行濾波，對于PLL和內(nèi)核供電電壓進(jìn)行掉電和過壓保護(hù)設(shè)計(jì)。

3 Cypress固件程序設(shè)計(jì)

Cypress固件程序的設(shè)計(jì)是此次設(shè)計(jì)的核心。Cypress提供了固件編程框架，該框架已將USB標(biāo)準(zhǔn)請求和USB電源管理封裝，并且提供了鉤子函數(shù)，只需根據(jù)需要在鉤子函數(shù)中編寫代碼即可完成編程。

建立框架所需的文件包括：Reg80320.h、Ezusb.h、FX2regs.h、Fw.c、Periph.c、Dscr.a51、Ezusb.lib和 USBJmpTb.OBJ等。其中，Ezusb.h是庫函數(shù)申明，以及變量、宏定義、數(shù)據(jù)類型定義；Reg80320.h是8051頭文件，由KEIL提供；FX2regs.h是FX2寄存器頭文件；Fw.c是固件框架源文件；Ezusb.lib是 EZUSB庫文件；USBJmpTb.OBJ是中斷跳轉(zhuǎn)函數(shù)目標(biāo)文件。這些文件Cypress均已提供，直接應(yīng)用即可。Periph.c是用戶鉤子函數(shù)，用戶可以修改，在不同的應(yīng)用中文件名可以不一樣。Dscr.a51是USB描述符列表，用戶也可以修改。在實(shí)際的編程中，需要根據(jù)目標(biāo)需求對Periph.c和Dscr.a51兩個(gè)文件進(jìn)行修改。

USB枚舉的過程也是主機(jī)要求設(shè)備返回各種描述符的過程。端點(diǎn)0默認(rèn)配置為控制管道，用來完成所規(guī)定的設(shè)備請求。設(shè)計(jì)中需要對Dscr.a51進(jìn)行必要的修改。

（1）設(shè)備描述符 （DeviceDscr）用來唯一地標(biāo)識(shí)設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序加載是通過該描述符中的VID和PID來確定；

（2）接口描述符 （Interface Descriptor）主要用來定義接口包含的端口數(shù)及接口所使用的類；

（3）HID描述符 （HIDDscr）是HID設(shè)備配置所必需的描述符，應(yīng)該跟在接口描述符的后面；

（4）端點(diǎn)描述符 （Endpoint Descriptor）是比較重要的描述符，主要用來定義接口所包含的端點(diǎn)數(shù)目以及端點(diǎn)的屬性、所支持的最大包的長度和端點(diǎn)的查詢時(shí)間；

（5）字符串描述符 （StringDscr）是可選的，方便開發(fā)中的產(chǎn)品標(biāo)識(shí)；

（6）HID報(bào)告描述符 （HIDReportDscr）是很重要的一種描述符，也是在實(shí)際開發(fā)中可以根據(jù)需要靈活修改的一種描述符。USB HID設(shè)備正是通過報(bào)告 （report）來傳送數(shù)據(jù)的，包括輸入報(bào)告和輸出報(bào)告。輸入報(bào)告是USB設(shè)備發(fā)送給主機(jī)的，本設(shè)計(jì)中主要指鍵盤和鼠標(biāo)的按鍵信息；輸出報(bào)告是主機(jī)發(fā)送給USB設(shè)備的，在設(shè)計(jì)中，由于使用了FPGA模擬USB設(shè)備，所以可以不需要輸出報(bào)告。

報(bào)告里面實(shí)際包含的是要傳送的數(shù)據(jù)，數(shù)量為整數(shù)個(gè)字節(jié)，被劃分為一個(gè)個(gè)域。通常，輸入報(bào)告是通過中斷輸入端點(diǎn)返回的，輸出報(bào)告則不然。輸出報(bào)告的發(fā)送有兩種：當(dāng)沒有中斷輸出端點(diǎn)時(shí)，可以通過控制輸出端點(diǎn)0發(fā)送；當(dāng)有中斷輸出端點(diǎn)時(shí)，通過中斷輸出端點(diǎn)發(fā)出。不管設(shè)備是否具有中斷輸出端點(diǎn) （中斷輸入端點(diǎn)是必須的），主機(jī)都可以通過獲取報(bào)告和設(shè)置報(bào)告的請求從端點(diǎn)0來獲取或發(fā)送報(bào)告。

本設(shè)計(jì)中提出了一種單芯片的USB鍵盤/鼠標(biāo)解決方案。系統(tǒng)中只用到了一個(gè)輸入端點(diǎn)和一個(gè)輸出端點(diǎn)即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)鍵盤和鼠標(biāo)功能。

要實(shí)現(xiàn)上述功能，HID報(bào)告描述符的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。在報(bào)告描述符中要同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)鍵盤報(bào)告和鼠標(biāo)報(bào)告。

一個(gè)報(bào)告描述符中可以有多個(gè)外層應(yīng)用集合，而系統(tǒng)軟件就是通過分析外層應(yīng)用集合的功能來增加不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的。在本設(shè)計(jì)中只需要實(shí)現(xiàn)用途分別為鍵盤和鼠標(biāo)的兩個(gè)應(yīng)用集合即可。同時(shí)，每個(gè)應(yīng)用集合里還要增加一個(gè)報(bào)告ID。以區(qū)分返回?cái)?shù)據(jù)的作用。報(bào)告ID是報(bào)告輸入或者輸出時(shí)的第一個(gè)字節(jié)，當(dāng)沒有定義報(bào)告ID時(shí)，報(bào)告前面就沒有報(bào)告ID。對于返回的沒有報(bào)告ID的報(bào)告，人體學(xué)輸入設(shè)備驅(qū)動(dòng)會(huì)自動(dòng)增加一個(gè)報(bào)告ID0；而應(yīng)用程序在發(fā)送數(shù)據(jù)出去時(shí)，也要帶一個(gè)值為0的報(bào)告ID。人體學(xué)輸入設(shè)備驅(qū)動(dòng)會(huì)自動(dòng)去掉這個(gè)值為0的報(bào)告ID，只發(fā)送數(shù)據(jù)出去。因此，本設(shè)計(jì)中，分別在兩個(gè)開集合的條目后增加一個(gè)報(bào)告ID的條目，報(bào)告ID分別為1和2（報(bào)告ID0是保留的，不能使用）。

如下所示是設(shè)計(jì)中采用的報(bào)告描述符：

HIDReportDscr：

//鍵盤報(bào)告描述符

db 05h，01h ； Usage Page（Generic Desktop）

db 09h，06h ； Usage（Keyboard）

db 0A1h，01h； Collection（Application）

db 85h，01h； 鍵盤報(bào)告ID為1

db 05h，07h ； Usage Page（Key codes）

db 19h，0E0h； Usage minimum（234）

db 29h，0E7h； Usage maximum（231）

db 15h，00h ； Logical minimum（0）

db 25h，01h ； Logical maximum（1）

db 75h，01h ； Report size（1）

db 95h，08h ； Report count（8）

db 81h，02h ； Input（data，variable，absolute）

db 95h，01h ； Report count（1）

db 75h，08h ； Report size（8）

db 81h，01h ； Input（constant）

db 95h，05h ； Report count（5）

db 75h，01h ； Report size（1）

db 05h，08h ； Usage Page（LED）

db 19h，01h ； Usage minimum（1）

db 29h，05h ； Usage maximum（5）

db 91h，02h ； Output（data，variable，absolute）

db 95h，01h ； Report count（1）

db 75h，03h ； Report size（3）

db 91h，01h ； Output（constant）

db 95h，03h ； Report count（3）

db 75h，08h ； Report size（8）

db 15h，00h ； Logical minimum（0）

db 25h，65h ； Logical maximum（101）

db 05h，07h ； Usage page（key codes）

db 19h，00h ； Usage minimum（0）

db 29h，65h ； Usage maximum（101）

db 81h，00h ； Input（data，array）

db 0C0h ；End Collection

//鼠標(biāo)報(bào)告描述符

db 05h，01h ； Usage Page（Generic Desktop），

db 09h，02h ； Usage（Mouse），

db 0A1h，01h ； Collection（Application），

db 85h，02h ； 鼠標(biāo)報(bào)告ID為2

db 09h，01h ； Usage（Pointer），

db 0A1h，00h ； Collection（Physical），

db 95h，03h ； Report Count（3），

db 75h，01h ； Report Size（1），

db 05h，09h ； Usage Page（Buttons），

db 19h，01h ； Usage minimum（1）

db 29h，03h ； Usage maximum（3）

db 15h，00h ； Logical minimum（0），

db 25h，01h ； Logical maximum（1），

db 81h，02h ； Input（Data，Variable，Absolute），（3button bits）

db 95h，01h ； Report Count（1），

db 75h，05h ； Report Size（5），

db 81h，01h ； Input（Constant）

db 75h，08h ； Report Size（8）

db 95h，02h ； Report Count（2）

db 05h，01h ； Usage Page（Generic Desktop），

db 09h，30h ； Usage（X），

db 09h，31h ； Usage（Y），

db 16h，01h，80h ； Logical Minimum （－127），

db 26h，0ffh，7Fh ； Logical Maximum（＋127），

db 81h，06h ； Input（Data，Variable，Relative）

db 0C0h ；End Collection

HIDReportDscrEnd：

上述設(shè)計(jì)中，鍵盤輸入報(bào)告有6個(gè)字節(jié)，分別存入CY7C68013的EP1INBUF ［0］－EP1INBUF ［5］中，第一個(gè)字節(jié)為報(bào)告ID，值為1；第二個(gè)字節(jié)表示特殊按鍵，如ctrl、shift、alt等；第三個(gè)字節(jié)保留；后面的3個(gè)字節(jié)為普通按鍵。如果同時(shí)有多個(gè)鍵按下，則在相應(yīng)的字節(jié)顯示鍵值，無鍵按下時(shí)，則為0。具體的鍵位值可以查看HID用圖表 （USB HID usage table）。

鍵盤的輸出報(bào)告2個(gè)字節(jié)，存入EP1OUTBUF［0］和EP1OUTBUF［1］中，第一個(gè)字節(jié)是報(bào)告ID，第二個(gè)字節(jié)用來標(biāo)識(shí)鍵盤的工作狀態(tài)如Num Lock等狀態(tài)信息，實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以不用。設(shè)計(jì)中，在FPGA內(nèi)部直接模擬這些特殊的按鍵狀態(tài)，即，當(dāng)Caps Lock或Num Lock鍵按下時(shí)，不需要等待主機(jī)發(fā)送輸出報(bào)告，F(xiàn)PGA程序內(nèi)部直接按照USB數(shù)據(jù)格式發(fā)送輸出數(shù)據(jù)至差分?jǐn)?shù)據(jù)線D＋、D－上。

對于鼠標(biāo)，只有輸入報(bào)告，沒有輸出報(bào)告。其輸入報(bào)告有5個(gè)字節(jié)，分別存入CY7C68013的EP1INBUF［0］－EP1INBUF［4］中，第一個(gè)字節(jié)為報(bào)告ID，值為2；第二個(gè)字節(jié)表示按鍵；第三個(gè)字節(jié)表示x軸偏移 （正值表示右移，負(fù)值表示左移，0表示不動(dòng)）；第四個(gè)字節(jié)表示y軸偏移 （正值表示下移，負(fù)值表示上移，0表示不動(dòng)）；第五個(gè)字節(jié)表示鼠標(biāo)滾輪 （正值為往上滾動(dòng)，負(fù)值為往下滾動(dòng)）。

完成描述符部分的設(shè)計(jì)后，即可在鉤子函數(shù)TD＿Init（）和TD＿Poll（）中編寫需要實(shí)現(xiàn)的功能函數(shù)。

TD＿Init（）在FX2重枚舉后首先調(diào)用，用戶可以在該函數(shù)中完成全局變量和FX2寄存器的初始化操作。

TD＿Poll（）函數(shù)在main函數(shù)while程序模塊中被調(diào)用，除非被更高級別的中斷所打斷，該函數(shù)將被重復(fù)調(diào)用，根據(jù)需要在此添加所需的功能。

設(shè)計(jì)中的部分功能代碼如下：

void TD＿Init（void） //Called once at startup

｛

key＿oldbuttons＝0xf0；

mouse＿oldbuttons＝0xf0；

OED ＆＝0x00； //PD.0－PD.7按鍵輸入

OEE ＆＝0x00； //PE.0－PE.7按鍵輸入

EP1OUTCFG＝0xB0； //valid，interrupt

EP1INCFG＝0XB0； //valid，interrupt

EP2CFG＝EP4CFG＝EP6CFG＝EP8CFG＝0；//disable unused endpoints

｝

void TD＿Poll（void） //Called repeatedly while the device is idle

｛

if（！ （EP1INCS ＆bmEPBUSY）） //Is the IN1BUF available，

｛

key＿buttons＝IOD＆0/x/ff；讀取鍵盤按鍵值

fun＝IOD＆0xc0； //獲取功能按鍵值，PD.7和PD.6

key＝IOD＆0x3f； //獲取普通按鍵值，PD.5－PD.0

mouse＿buttons＝IOE＆0xff； //獲取鼠標(biāo)按鍵信息，PE.3－PE.0

if（（key＿oldbuttons－key＿buttons）?。?）

｛

if（fun?。?x80） //無shift鍵按下

｛

EP1INBUF ［0］＝0x01；

EP1INBUF ［1］＝0；

EP1INBUF ［3］＝key；

｝

else

｛

EP1INBUF ［0］＝0x01； //Shift鍵按下EP1INBUF ［1］＝0x02；

EP1INBUF ［3］＝key；

｝

EP1INBUF ［4］＝0；

EP1INBUF ［5］＝0；

EP1INBUF ［2］＝0；

EP1INBC＝6；

｝

key＿oldbuttons＝key＿buttons；

｝

if（（mouse＿oldbuttons－mouse＿buttons）?。?）

｛

EP1INBUF ［0］＝0x02；

if（mouse＿oldbuttons＆0x01）

｛

EP1INBUF ［1］＝0x01； //左鍵

｝

if（mouse＿oldbuttons＆0x02）

｛

EP1INBUF ［1］＝0x02； //右鍵

｝

if（mouse＿oldbuttons＆0x04）

｛

EP1INBUF ［2］＝－10； //x軸左移10個(gè)單位，值可修改

｝

if（mouse＿oldbuttons＆0x08）

｛

EP1INBUF ［2］＝10； //x軸右移10個(gè)單位，值可修改

｝

if（mouse＿oldbuttons＆0x10）

｛

EP1INBUF ［3］＝－10； //y軸上移10個(gè)單位，可修改

｝

if（mouse＿oldbuttons＆0x20）

｛

EP1INBUF ［3］＝10； //y軸下移10個(gè)單位，可修改

｝

//未定義滾輪

mouse＿oldbuttons＝ mouse＿buttons；

｝

｝

可以看出功能函數(shù)部分的代碼比較簡單，這是因?yàn)镻D.0－PD.7管腳的信息是已經(jīng)經(jīng)過FPGA解碼后的按鍵值，在TD＿Poll（）函數(shù)中，只需讀取管腳值即可。實(shí)際上，F(xiàn)PGA的編解碼工作也可以由FX2處理器來完成。但是，考慮的8051的處理速度以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性 （管腳數(shù)目和邏輯單元），我們將這一部分的工作都由FPGA來完成。這樣，F(xiàn)PGA的工作就是用來模擬USB鍵盤，所以，除了需要在有按鍵按下的時(shí)候進(jìn)行解碼并向FX2處理器進(jìn)行輸出外，對于某些特殊按鍵時(shí)的主機(jī)應(yīng)答也由FPGA來模擬實(shí)現(xiàn)，這就進(jìn)一步簡化了Cypress固件程序的設(shè)計(jì)。Cypress固件部分只需讀取按下的鍵值，無需輸出任何信息。當(dāng)有特殊按鍵按下時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部的程序模擬主機(jī)的應(yīng)答信號，并對它進(jìn)行編碼，使之符合在USB差分?jǐn)?shù)據(jù)線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式。

4 FPGA程序設(shè)計(jì)

FPGA內(nèi)部的模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

USB鍵盤/鼠標(biāo)輸出的差分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)差分轉(zhuǎn)單端電路轉(zhuǎn)換，作為FPGA的輸入信號Keyboard－Rx和Mouse－Rx。鼠標(biāo)和鍵盤的串并轉(zhuǎn)換模塊由兩個(gè)彼此獨(dú)立的狀態(tài)機(jī)構(gòu)成。

對于鍵盤，F(xiàn)PGA檢測到輸入信號后，進(jìn)行解碼操作，判斷是普通鍵還是特殊鍵 （Caps Lock、Num Lock等），是單個(gè)鍵還是組合鍵 （Shift、Alt和 Windows與其他按鍵的組合）。如果是普通鍵或者是組合按鍵，則經(jīng)發(fā)送模塊處理后，輸出至FX2處理器；如果是特殊按鍵，則直接轉(zhuǎn)到編碼模塊，模擬USB主機(jī)的應(yīng)答數(shù)據(jù)，編碼成USB總線上的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后輸出給鍵盤。

對于鼠標(biāo)，相對簡單一些。解碼模塊只需判斷是否有按鍵按下 （左鍵/右鍵）、X軸方向和Y軸方向的偏移以及滾輪的改變量，同時(shí)無需輸出任何信息給鼠標(biāo)。

圖2 FPGA內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)

4.1 時(shí)鐘和串并轉(zhuǎn)換模塊

USB協(xié)議中定義了3種數(shù)據(jù)模式：1.5Mb/s的低速模式、12Mb/s的全速模式和480Mb/s的高速模式。HID設(shè)備類屬于低速設(shè)備。設(shè)計(jì)中需要注意速度的匹配問題。在本設(shè)計(jì)中，有兩處數(shù)據(jù)的傳輸遵循的是USB總線協(xié)議，一是CY7C68013與上位機(jī)的接口部分，二是通用USB鍵盤/鼠標(biāo)與FPGA接口部分。如果要實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議，設(shè)計(jì)的難度比較大。所幸的是CY7C68013在其內(nèi)部已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了USB總線協(xié)議；我們的主要工作就集中在對鍵盤/鼠標(biāo)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行編解碼。

時(shí)鐘分頻電路的設(shè)計(jì)是為了滿足對USB總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣的需要。USB總線上傳輸數(shù)據(jù)是以包為基本單位的。USB總線上數(shù)據(jù)的傳輸速率可以通過對總線上傳輸?shù)陌母袷竭M(jìn)行分析來確定，但是需要對協(xié)議進(jìn)行深入地分析。我們還可以通過示波器來測得。經(jīng)試驗(yàn)測量，總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率為15Kb/s，因此，設(shè)計(jì)中采用30k的時(shí)鐘來對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。

串并轉(zhuǎn)換模塊的核心是一有限狀態(tài)機(jī)FSM。當(dāng)USB總線上沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，總線一直呈高電平，檢測到一個(gè)高電平到低電平的數(shù)據(jù)變化時(shí)，表示有數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)生。對于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是干擾還是有效數(shù)據(jù)，需要對接下來各個(gè)狀態(tài)下所采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)其滿足USB數(shù)據(jù)包的格式，則認(rèn)為是有效的USB數(shù)據(jù)。

4.2 編解碼模塊

編碼解碼模塊的設(shè)計(jì)遵循的都是USB總線協(xié)議。編碼是解碼的逆過程。故而，本文僅對解碼模塊進(jìn)行詳細(xì)分析。

USB總線上傳輸數(shù)據(jù)的基本單位是包。一個(gè)包被分成不同的域。USB協(xié)議中主要規(guī)定了4種包：令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和特殊包。這4種包，所包含的域是不一樣的。其中，令牌包、握手包主要用在重枚舉過程中；特殊包在一些特殊的場合中使用，如：PING （測試）、ERR （錯(cuò)誤）等。在本系統(tǒng)中，采用了Cypress芯片來模擬USB設(shè)備，芯片本身集成了對各種包的處理功能，所以在與PC接口端的連接無需考慮各種包的處理過程；在設(shè)備端，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)對通用USB鍵盤/鼠標(biāo)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而忽略重枚舉和差錯(cuò)檢測等過程，所以，只需要關(guān)注對數(shù)據(jù)包的處理。

數(shù)據(jù)包和所有包一樣，都是以同步域SYNC開始，緊跟著一個(gè)包標(biāo)識(shí)符PID，最終以包結(jié)束符EOP結(jié)束。數(shù)據(jù)包格式見表1。

表1 USB數(shù)據(jù)包格式

要進(jìn)行編解碼操作，就需要對數(shù)據(jù)包進(jìn)行深入地分析。下述分析都是針對差分轉(zhuǎn)單端后的信號而言。

對于全速和低速設(shè)備，同步域使用的是00000001，后面緊跟著PID標(biāo)識(shí)，DATA表示要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，全速USB的最大長度為1023Bytes，CRC16表示DATA的校驗(yàn)和，全速/低速設(shè)備的EOP是一個(gè)大約2個(gè)數(shù)據(jù)位寬的單端0信號。

如上所述，這就是單端串行數(shù)據(jù)線上要發(fā)送的原始數(shù)據(jù)。并非數(shù)據(jù)線上所傳輸?shù)恼嬲龜?shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過位填充和不歸零NRZI編碼后方能進(jìn)行傳輸。因此，F(xiàn)PGA接收到的、USB鍵盤所能接收的都是經(jīng)過位填充和NRZI編碼后的數(shù)據(jù)。

CY7C68013與PC機(jī)通信時(shí)也是遵循這樣的數(shù)據(jù)格式。但是，CY7C68013與FPGA之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式遵循的卻是USB HID類設(shè)備用途表中的定義，具體值可以參考USB HID usage table，此不贅述。因此，設(shè)計(jì)中需要將接收的來自鍵盤的編碼后的數(shù)據(jù)解碼成USB HID類設(shè)備用途表中定義的鍵值。

通過上述分析，通常的解碼方案是按照USB數(shù)據(jù)包協(xié)議，逐步解碼，即先反NRZI編碼，在去除位填充，然后再提取出數(shù)據(jù)值，這種方案需要按照USB協(xié)議順序解包，算法工作量比較大，但是具有通用性，對于按照USB協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都可以按照這種方法來解碼。

考慮到鍵盤傳輸?shù)陌存I數(shù)有限 （通用鍵盤104鍵，精簡鍵盤更少），設(shè)計(jì)中提出了一種整體處理的思想。即將FPGA接收到的編碼后的數(shù)據(jù)直接作為單個(gè)按鍵的碼值，再將每個(gè)碼值所對應(yīng)的USB HID類設(shè)備用途表中的鍵值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣發(fā)送給CY7C68013芯片的就是芯片所能處理的有效數(shù)據(jù)。這個(gè)方案大大降低了編寫代碼的工作量，有效地提高了設(shè)計(jì)效率，能夠滿足鍵盤/鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)傳輸，不足之處在于不具備通用性，對于向U盤、打印機(jī)設(shè)備等傳輸?shù)臄?shù)據(jù)無法適用。

4.3 發(fā)送模塊

發(fā)送模塊的核心也是一有限狀態(tài)機(jī)。主要任務(wù)將接收到的數(shù)據(jù)按照鍵盤和鼠標(biāo)有區(qū)別地發(fā)送至CY7C68013芯片，供其處理。為此，在FPGA串并轉(zhuǎn)換接口模塊部分設(shè)定一標(biāo)志寄存器以區(qū)分接收到是鍵盤數(shù)據(jù)還是鼠標(biāo)數(shù)據(jù)。發(fā)送模塊在檢測到有待發(fā)送的數(shù)據(jù)后，通過判斷標(biāo)志寄存器的值來決定要發(fā)送的數(shù)據(jù)是鍵盤數(shù)據(jù)還鼠標(biāo)數(shù)據(jù)。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

圖3 發(fā)送模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

按照上述設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的光傳輸一體化鍵盤/鼠標(biāo)在完成硬件電路的調(diào)試、固件程序和FPGA程序的下載后，插入主機(jī)，查看設(shè)備管理器，會(huì)看到多了一個(gè)USB人體學(xué)輸入設(shè)備，一個(gè)HID鍵盤設(shè)備，一個(gè)USB兼容鼠標(biāo)。移動(dòng)鼠標(biāo)，打開記事本等應(yīng)用程序，鼠標(biāo)和鍵盤均能正常工作。組合和特殊功能按鍵正常，鍵盤和鼠標(biāo)也能配合使用。采用QA＋Win32測試軟件測試結(jié)果如圖4所示，鼠標(biāo)測試結(jié)果如圖5所示。

對比普通鍵盤和鼠標(biāo)，在同時(shí)插入鍵盤和鼠標(biāo)后，查看設(shè)備管理器，會(huì)看到多了兩個(gè)人體學(xué)輸入設(shè)備，一個(gè)HID鍵盤設(shè)備，一個(gè)USB兼容鼠標(biāo)。顯然，本設(shè)計(jì)能夠更節(jié)省系統(tǒng)資源。

同時(shí)，可以看到，采用光傳輸之后的鍵盤/鼠標(biāo)，傳輸距離較之普通USB設(shè)備傳輸距離得到大幅度的提升。光傳輸良好的抗電磁干擾特性也是其一大亮點(diǎn)。有這兩點(diǎn)優(yōu)勢，USB的光纖傳輸技術(shù)能夠在軍用領(lǐng)域，特別是抗惡劣環(huán)境領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。

6 結(jié)束語

本論文基于對USB傳輸在當(dāng)前軍用領(lǐng)域的應(yīng)用瓶頸進(jìn)行研究，提出了采用光纖傳輸替代電纜傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案。同時(shí)，針對鍵盤和鼠標(biāo)的共性進(jìn)行研究，提出了一種鍵盤/鼠標(biāo)一體化的設(shè)計(jì)思路，能夠在保證系統(tǒng)性能的前提下，節(jié)省系統(tǒng)資源。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)嵌入式系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，運(yùn)行良好，具有非常好的安全性、可靠性、可移植性。

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