一種用于嵌入式系統的USB鍵盤控制接口電路設計

劉海艷等

【摘 要】本文介紹了一種基于STM32的可定制的USB鍵盤控制接口電路，與傳統鍵盤方案進行了比較，介紹了電源部分、USB接口部分的設計，針對矩陣鍵盤多按鍵的特殊需求，對基本按鍵提出了改進思路及軟件識別方法，在嵌入式系操作系統如WINCE、LINUX上有較高的通用性和靈活性。

【關鍵詞】STM32；USB接口；矩陣鍵盤；多按鍵

0 引言

隨著科技的不斷進度與發展，嵌入式系統無疑是當前最熱門最有發展前途的IT應用領域之一，像常見到的手機、PDA、機頂盒、高清電視（HDTV）、路由器、汽車電子、智能家電、醫療儀器、航天航空設備等都是典型的嵌入式系統。

嵌入式系統中人機交互技術最為重要，WINCE和LINUX系統比較流行，然而這兩種系統的驅動開發門檻較高，尤其對于特殊的矩陣鍵盤而言，實現基于USB接口的控制電路具有一定的難度。本文設計了一種基于STM32的可定制的USB鍵盤控制電路，比一般的專用的USB鍵盤接口芯片更加簡單方便，利用軟件的可以進行靈活的修改，大大的提高矩陣鍵盤的通用性。

1 方案比較

傳統方案：標準的PC104鍵盤大多采用專用的USB鍵盤芯片（如MC178-04B），其價格便宜而被廣泛運用，但是其接口比較固定，不利于開發者自己定制，例如按鍵連發、多鍵識別（A，E同時按下）等特定的功能需求，傳統方案的缺陷就慢慢的凸顯出來了。

本文設計的方案：運用帶USB接口功能的MCU（STM32F103ZET芯片）制作USB HID設備，根據矩陣鍵盤設計鍵碼掃描程序，可以完美的解決類似于上面的需求，同時STM32的芯片的性價比高、開發簡單，適合一般的嵌入式開發工程師。

2 系統的硬件設計（圖1）

系統總共分為5部分：系統供電部分，JTAG調試接口，矩陣鍵盤模塊，USB從設備接口，STM32F103ZET芯片內部包含AD模塊，為了能夠使系統能夠正常運行，盡管AD模塊未使用，設計時應給予相應正常供電，使引腳VREF+、VDDA接VCC，引腳VREF-、VSSA接GND，否則系統不能正常運行。

2.1 電源部分

系統供電部分采用LT1117三端可調線性穩壓芯片，輸出電流可達800mA，采用SOT-223封裝以減小空間，輸入端和輸出端分別接入100nF和10uF電容進行濾波降低電壓紋波，最終使電壓穩定到3.3V。

2.2 USB 模塊接口電路設計（圖2）

根據USB1.1官方協議可知，USB為主從設備區分是有硬件電路實現的，USB HID設備屬于從設備，USB上拉電壓接在D+線上，所以本設計USB實現全速通訊。當開關開啟時，嵌入式系統就能自動開始枚舉該USB設備。

2.3 矩陣鍵盤接口設計

傳統的矩陣的鍵盤識別方法為掃描法和線反轉法，只能識別單個按鍵，硬件電路設計如圖3所示：

由上圖可知當雙按鍵按下時產生了線與邏輯沖突，對該設計進行改進，采用行線為開漏輸出，列線上有10K的上拉電阻，當雙按鍵按下時1和0線與產生0，這樣有效的識別了雙按鍵，如圖4所示：

3 軟件設計要點

3.1 USB鍵盤配置

USB通信協議中涉及了大量的描述符等相關信息其中包括設備描述符，配置描述符，接口描述符，HID描述符等，在STM32的庫文件中給出了相關的框架hw_config.c usb_desc.c usb_istr.c usb_prop.c usb_pwr.c嵌入式開發者進行相關的框架填寫便可進行正確的USB通信，USB鍵盤相關配置如下：

//開啟相關時鐘

/* Select USBCLK source */

RCC_USBCLKConfig（RCC_USBCLKSource_PLLCLK_1Div5）；

/* Enable USB clock */

RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_USB， ENABLE）；

//開啟相關USB通信中斷

NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_0）；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel =

USB_LP_CAN_RX0_IRQChannel；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE；

NVIC_Init（&NVIC_InitStructure）；

//USB發送緩存

u8 Key_Buffer[8] = {0，0，0，0，0，0，0，0}；

Key_Buffer[0] = cmd；

Key_Buffer[2] = Keys；

/*copy mouse position info in ENDP1 Tx Packet Memory Area*/

UserToPMABufferCopy（Key_Buffer， GetEPTxAddr（ENDP1），8）；

SetEPTxValid（ENDP1）。

3.2 多按鍵鍵盤識別

由于需要多按鍵識別處理，使用全鍵盤掃描另外再添加了橫向多按鍵處理，縱向多按鍵處理，處理步驟如下所示：

（1）行循環輸出senCode[RSIZE] =

{0X00FE，0X00FD，0X00FB，0X00F7，0X00EF，0X00DF，0X00BF，0X007F}；

（2）列循環讀入getColDate（）；

（3）全掃描完畢后分別對獲取的列數據進行解析：

如果數據為下列之一

{0XFE00，0XFD00，0XFB00，0XF700，0XEF00，0XDF00，0XBF00，0X7F00}；

則說明為單按鍵按下直接發送相關字符；

否則，dat & 0XFF00 ！= 0XFF00 則說明為雙按鍵按下，分別對數據的每一位進行處理判斷在哪一位為0說明在那一列當中有按鍵按下，同時與行輸出相結合從而有效的識別出了相關多按鍵按下；

（4）從按鍵映射表中找到相關的字符鍵碼，利用USB_SendChar（）接口函數與主機設備進行通信。

4 結論

本文提出的基于USB接口的矩陣鍵盤控制接口電路，與傳統鍵盤方案進行了比較，其可定制的特點具有更大的靈活性。針對矩陣鍵盤多按鍵的特殊需求，對基本按鍵提出了改進的方法，對應多按鍵的識別上，提出了合理的解決步驟。在嵌入式系操作系統如WINCE、LINUX上有較高的通用性和靈活性，對于有外接4X4、8X8等矩陣鍵盤，手機鍵盤等，具有一定的實用價值。

【參考文獻】

[1]李小琦，汪紅.基于嵌入式Linux的USB鍵盤驅動設計[J].科技資訊，2009（19）：97-98.

[2]李麗宏， 郝志剛. 嵌入式Linux的USB驅動設計[J]. 電子設計工程.2011（11）： 170173.

[3]張淼，趙冒童.基于STM32F103RBT6芯片的USB鍵盤設計與實現[J]..福建電腦.2014.

[4]12：122-125[Z].

[責任編輯：鄧麗麗]