基于單片機的USB 復合設(shè)備鍵盤鼠標設(shè)計

朱俊杰，龔銳彬

（廣州城市理工學院 電子信息工程學院，廣東廣州，510800）

0 引言

市場上傳統(tǒng)的鍵盤鼠標以桌面式為主，占據(jù)較大的空間，在部分場景下使用不便且不方便攜帶。空中鼠標[5]的出現(xiàn)使鼠標不再依賴桌面，利用慣性傳感器采集的信息控制鼠標移動。近年來越來越多的學者對便攜式鍵盤鼠標進行理論研究和實驗測試，文獻[2]設(shè)計了指尖壓敏可佩戴式鍵盤鼠標，利用陀螺儀的速度控制鼠標，使用九宮格輸入方法，依據(jù)不同手指的敲擊次數(shù)作為鍵盤輸入。文獻[4]提出了BLE 空中鼠標系統(tǒng)，利用光標定位法和固定光標法解決“未知”和光標“死區(qū)”問題。大部分的研究文獻主要對空中鼠標進行了研究和實驗測試，對復合式鍵盤鼠標研究文獻較少。

基于以上背景，本文設(shè)計了一款基于單片機的USB 復合設(shè)備鍵盤鼠標。該設(shè)計由USB 接收器和手機APP 組成。受控終端插入USB 接收器，手機APP 模擬鍵盤鼠標功能，通過藍牙傳輸至終端接收，實現(xiàn)鍵盤鼠標操作。解決了鍵盤鼠標外設(shè)部署配置簡單化，具有攜帶方便、靈活、穩(wěn)定性強等優(yōu)點。

1 方案設(shè)計

本設(shè)計方案采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本設(shè)計由手機APP 模擬鍵盤鼠標操作，將操作指令數(shù)據(jù)通過藍牙傳輸至USB 接收器藍牙模塊，再通過串口協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給STM32 單片機處理，使用USB 通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至USB 接口，USB 接口通過有線電纜與主機相連，最后將數(shù)據(jù)傳輸給主機完成鍵盤鼠標操作。硬件部分由主控電路、藍牙模塊和電源電路組成。主控芯片選擇STM32F103C8T6，負責通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。藍牙模塊采用HC-05，其采用RS232 串口通信協(xié)議，負責數(shù)據(jù)通信交互，藍牙開發(fā)模式使用雙微控制器模式，由主機控制來實現(xiàn)模塊功能。電源電路選用AMS1117-3.3V 電源芯片，實現(xiàn)USB 電壓5V 降壓為3.3V，負責給STM32 單片機和藍牙模塊供電。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 主控電路

主控電路原理圖如圖2 所示，主控芯片STM32F103C8T6與USB 接口相連，終端通過USB 口插入連接，使用USB數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行通信。主控芯片與HC-05 藍牙模塊通過串口連接，使用串口傳輸協(xié)議通信，將藍牙模塊收到的手機APP 數(shù)據(jù)進行處理分析后發(fā)送至終端。USB 傳輸線[12]由電源線、地線、D+和D-四條線組成，其中電源線和地線可提供5V 電壓，最大500mA 電流，D+和D-為差分信號輸入線，使用3.3V 電壓。

圖2 主控電路原理圖

1.2 電源電路

電源電路原理圖如圖3 所示，此部分電路主要組成有：AMS1117 穩(wěn)壓芯片、濾波電容、模擬地數(shù)字隔離電感電阻。該電路可穩(wěn)定將5V 輸入電壓降為3.3V，最大電流可達1A。其中D3.3V 和A3.3V 為均3.3V 電源端，分別供數(shù)字電路和模擬電路使用。

圖3 AMS1117-3.3V 電路原理圖

1.3 藍牙模塊

藍牙模塊原理圖如圖4 所示，其中1 號，2 號引腳與主控芯片通過串口連接進行數(shù)據(jù)通信，手機APP 數(shù)據(jù)將通過模塊內(nèi)置射頻天線接收，接收到的數(shù)據(jù)通過串口協(xié)議傳輸給主控芯片處理。31 號引腳連接的STA 燈用來顯示藍牙模塊的工作狀態(tài)，34 號引腳用來控制藍牙芯片工作模式。當34 號引腳置低電平時，STA 燈快閃，藍牙模塊進入可配對模式，匹配成功后STA燈慢閃，進入AT模式。若匹配不成功，藍牙模塊進入AT 模式，但STA 燈繼續(xù)保持快閃，此時無藍牙匹配連接。當34 號引腳置高電平時，STA 燈慢閃，藍牙模塊進入AT 模式[10]。

圖4 HC-05 藍牙模塊原理圖

2 USB 原理

USB 通信[9～12]屬于主從式通信，請求從主機端向設(shè)備端發(fā)出并響應。USB 協(xié)議通信時，數(shù)據(jù)編碼采用NRZI 方式，以包為單位在進行傳輸。USB 通信有四種傳輸模式，指USB 設(shè)備與控制器驅(qū)動之間進行的傳輸以事務(wù)為單位進行，分別有批量傳輸、控制傳輸、中斷傳輸和同步傳輸。中斷傳輸模式[11]用于非周期地自然發(fā)生的數(shù)據(jù)量小的信息傳輸，并且只有從外設(shè)到主機一個傳輸方向，所以采用中斷傳輸模式。鍵盤鼠標事件發(fā)生后，通過中斷端口通知主機端完成相關(guān)任務(wù)。

USB 設(shè)備枚舉[13]。USB 設(shè)備在插入終端時，終端檢測到設(shè)備插入將進行USB 設(shè)備枚舉。在枚舉的過程中，終端對USB 設(shè)備進行詢問，要求USB 設(shè)備對描述符進行回復，若USB 設(shè)備回復的描述符被終端正常讀取，則根據(jù)USB 設(shè)備發(fā)回的數(shù)據(jù)進行分析和處理，直至終端為USB 設(shè)備配置驅(qū)動使其可以被正確識別并使用。枚舉過程中傳輸了包括：地址、設(shè)備描述符、配置描述符、字符描述符、報告描述符等。

USB 復合設(shè)備[6]，指具有兩個獨立的USB 設(shè)備功能，集中在同一個硬件上的USB-HID 設(shè)備。該設(shè)計屬于通用USB 設(shè)備，接口須符合USB-HID 協(xié)議，并且在接口描述符中分配兩個接口，分別對應為鍵盤、鼠標設(shè)備接口。其中鍵盤在端點描述符中有兩個端口，分別對應鍵盤按鍵鍵值和指示燈控制。USB 描述符結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示。

圖5 USB 描述符結(jié)構(gòu)框圖

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計系統(tǒng)軟件流程為進入初始化，首先檢測USB 設(shè)備枚舉狀態(tài)，在USB 保持連接的情況下檢測藍牙信號，使用手機APP 發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機MCU，單片機MCU 對數(shù)據(jù)進行處理，并通過數(shù)據(jù)判斷并發(fā)送鍵盤鍵值或鼠標光標位置，直到USB 斷開后結(jié)束整個流程。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)軟件整體流程圖

本設(shè)計鍵盤鼠標操作由手機APP 實現(xiàn)，設(shè)計UI 組件設(shè)計界面，放置鍵盤按鍵和觸摸板。進入邏輯設(shè)計界面，設(shè)計按鍵按下和松開的邏輯鍵盤操作，設(shè)計觸摸板的移動相對距離Dx，Dy 得到相對坐標。APP 設(shè)計圖如圖7 所示，設(shè)計藍牙虛擬按鍵控制手機與下位機連接開關(guān)，并將按鍵和觸摸板操作通過藍牙發(fā)送數(shù)據(jù)到下位機。在USB 底層協(xié)議配置中，為鍵盤和鼠標分別配置了2 個報告ID 號（即分配2 個接口），如圖8 所示。鼠標接口負責獲取鼠標的移動、單擊、雙擊、拖動、單擊右鍵的數(shù)據(jù)傳輸至相應的地址存儲。鍵盤接口ID 號中設(shè)定2 個端口，分別負責鍵盤按鍵鍵值數(shù)據(jù)傳輸和鍵盤指示燈開關(guān)，并將獲取的數(shù)據(jù)傳輸至相應的地址存儲。軟件處理時需保證鍵盤和鼠標數(shù)據(jù)正確性，防止鍵盤和鼠標數(shù)據(jù)錯亂。

圖7 APP 設(shè)計圖

圖8 USB 配置部分代碼

4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測試分析

通過軟硬件設(shè)計后，完成實物制作，接收器實物圖如圖9 所示。結(jié)合APP 軟件進行系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，調(diào)試包含功能性測試、穩(wěn)定性測試和兼容性測試，測試方法包括：鍵盤全鍵測試、鍵盤指示燈測試、鼠標移動測試、鼠標點擊測試、鼠標框選測試、藍牙連接測試、冷熱重啟檢測、熱拔插檢測等。

圖9 接收器實物圖

將接收器插入電腦對USB 設(shè)備枚舉情況進行測試，使用總線協(xié)議分析軟件Bus Hound 對USB 設(shè)備進行抓取顯示，如圖10 所示。該設(shè)計有兩個接口三個端口，第一個接口枚舉為鍵盤端口和指示燈端口，第二個接口枚舉為鼠標設(shè)備。經(jīng)過鍵盤鼠標測試軟件PassMark KeyboardTest 多次測試，鍵盤鼠標功能正常。經(jīng)測試USB 枚舉成功并與結(jié)構(gòu)設(shè)計完全相符，三個USB 端點均能夠正常地進行數(shù)據(jù)傳輸且互不干擾。

圖10 Bus Hound 軟件設(shè)備顯示圖

該設(shè)計穩(wěn)定性測試如表1 所示，兼容性測試如表2 所示。

表1 穩(wěn)定性測試表

表2 兼容性測試表

5 結(jié)語

本文研究了單片機、USB 總線協(xié)議和藍牙技術(shù)，深度分析USB 復合設(shè)備，以USB 設(shè)備通信傳輸協(xié)議為基礎(chǔ)了設(shè)計了基于單片機的USB 復合設(shè)備鍵盤鼠標。經(jīng)過測試結(jié)果證明，本設(shè)計具有靈活性好、穩(wěn)定性強、兼容性高等優(yōu)點，非常適合家庭影院、教學課堂等多媒體場景下使用，解決了鍵盤鼠標外設(shè)部署配置簡單化的問題。