艦用PS/2鍵鼠切換模塊設計與實現中FPGA和ARM的應用

海軍裝備部駐連云港地區軍事代表室 張志華

江蘇自動化研究所 蔡欣榮 劉青春

基于FPGA和ARM的艦用PS/2接口協議鍵盤、鼠標切換模塊，采用FPGA作為PS/2接口協議編解碼及PS主機和PS/2設備數據傳輸芯片。ARM作為主控芯片，接收按鍵或者遠程軟件切換操作命令，控制FPGA切換相應的主機和設備連接。模塊實現1至2路PS/2鍵鼠，1至4路主機的任意切換。通過測試和應用，模塊能夠實現2路PS/2鍵盤、4路PS/2主機的任意切換。

艦用顯控臺環境下，很多鍵盤、軌跡球（鼠標的一種）模塊仍使用PS/2接口協議，為了滿足一套鍵盤、軌跡球能夠操控顯控臺的所有計算機，一般在臺體上安裝鍵盤、鼠標及顯示器切換模塊，俗稱基于PS/2協議的KVM切換器。傳統的PS/2協議KVM切換器有多種實現方案，有采用機械開關或電子開關實現物理通道切換或連接，有采用FPGA或專用切換芯片。采用電子開關芯片或機械開關，設備加電后，通過開關連接實現計算機和鍵盤、鼠標通信。如果要切換到另外一路主機，只需要控制電子切換開關或者撥動機械開關，顯控臺上電時，首先要確定加電的計算機和PS/2設備邏輯或物理通道要連接上，如果某路計算機上電時，沒有識別到PS/2鍵盤鼠標設備時，那么系統在運行過程中，即使再接入PS/2鍵盤鼠標也不能被識別。同時機械開關或電子開關切換過程存在抖動，造成信號干擾或誤觸發。另外一個問題是傳統的PS/2切換模塊只能接入1路PS/2鍵盤鼠標，如果用戶需要擴展一路備用商用調試鍵鼠，傳統的PS/2協議切換器也不支持。

艦用環境下，須要設計一種艦用PS/2協議鍵鼠切換矩陣，支持兩套鍵鼠設備的接入，即支持主鍵鼠、備用鍵鼠，備用鍵鼠主要是調試或診斷時接入使用；同時支持最少4路計算機，主鍵鼠、備用鍵鼠通過按鍵或者軟件協議可以任意切換至某路計算機，當周圍存在電磁干擾時，電路能夠濾除干擾信號，提取有效信號。設備加電后，模塊能夠自動實現下行PS/2鍵盤鼠標的識別、上行PS/2主機控制器命令解釋，PS/2鍵鼠設備和主機之間的通路連接。

1 PS/2協議鍵鼠切換模塊整體結構

艦用顯控臺一般有時安裝多至4路計算機主板，顯控臺面安裝一套PS/2鍵盤、軌跡球模塊。軌跡球是一種特殊的鼠標設備，依靠球體轉動實現操作系統桌面定位的裝置，接口通訊協議同鼠標。其使用靈活性沒有鼠標高，但是適用于艦船、戰車等顛簸環境下。為提高系統的可靠性和靈活性，支持主鍵鼠、備用鍵鼠兩套PS/2接口，主、備鍵鼠均為PS2接口，初始時主鍵鼠、備用鍵鼠都呈“斷開”狀態，待切換后與設備連接，任一設備同一時間可以使用一套鍵鼠或者兩套同時使用（主鍵鼠或者備用鍵鼠），由外部按鍵或者軟件通信進行切換。主鍵鼠通常就是臺面安裝的PS/2鍵盤、軌跡球。臺面留有備用鍵鼠PS/2接口，便于接入通用PS/2接口鍵盤或者鼠標。圖1是本文實現的PS/2接口協議鍵盤、鼠標切換模塊組成框圖。

圖1 基FPGA和ARM的PS/2接口協議鍵盤、鼠標切換模塊結構框圖

2 硬件實現

硬件部分主要由四大部分組成：（1）PS/2接口信號轉換電路；（2）FPGA邏輯電路；（3）ARM主控、按鍵控制電路；（4）外圍輔助電路，包含電源電路、信號指示電路、JTAG下載電路等。下面敘述了前三部分電路。

2.1 PS/2接口信號轉換電路設計

PS/2鍵鼠切換電路包含4路主機和2路設備接口。每路主機或設備各包含1路PS/2協議鍵盤、PS/2協議鼠標接口。PS/2鍵盤鼠標接口是開漏（集）輸出，需要上拉1kΩ～10kΩ電阻，輸入輸出接口首先要經過ESD防護芯片，保護板卡后端電路不被靜電損壞。IDTQS3861QG是雙向電壓轉換芯片，該芯片的VCC是通過5V串接一個二極管供電的，二極管1N4148正常壓降在0.7V左右，VCC在4.3V左右，當兩邊數據管腳的電壓小于VCC-1.0V（3.3Vdc）時，左右電壓一致，當任何一邊的電壓高于VCC-1.0V時，對應輸出邊的電壓維持在VCC-1.0V，當然每邊的管腳最高輸入電壓都不能超過7.0V。2路主機PS/2接口電路見圖2，另主鍵鼠、備用鍵鼠設備端PS/2接口電路相似。經過電壓轉換芯片的PS/2接口信號直接進入FPGA芯片，PS/2接口信號是雙向信號，主機具有高優先級，可以任意時刻發送數據給設備，一般顯控臺上電后主機發送數據給設備，完成設備的初始化。初始化完成后，大部分情況下都是設備上傳鍵鼠數據給主機，少部分情況主機發送點燈數據給鍵盤。

圖2 2路主機PS/2接口電路

2.2 FPGA邏輯電路

如圖3所示，FPGA芯片選用Altera公司的EP4CE15E22I7芯片，該芯片是144個管腳EQFP表貼芯片，最大有81個IO管腳供用戶使用。該芯片含有15408個LE邏輯單元，每個LE邏輯單元包含一個四口輸入LUT查找表和一個可編程的寄存器。選用這個芯片的依據是邏輯資源的用量，考慮到四路主機，每路主機包含2個PS/2接口，每路接口要識別相應的上行主機接口命令并響應。兩套鍵鼠，每套鍵鼠包含2個PS/2接口，共4個PS/2接口，每路PS/2接口需要和對應的下行設備通訊，完成相應接口鍵鼠的識別和數據收發。FPGA芯片內部還有相應的FIFO電路，實行對應數據的存儲轉發，還有鍵盤Lock燈的存儲和轉發邏輯。實際使用中，經過編譯只用了70%左右資源，為后期功能擴展提供了很大的便利性。FPGA外接一路Uart接口，可以根據ARM的指令，實時監控PS/2主機端某路或設備端某路的收發數據。

圖3 FPGA邏輯電路框圖

2.3 ARM主控、按鍵控制電路

如圖4所示，ARM主控芯片選用ST公司的STM32F103VCT6芯片，這是Cortex-M3架構芯片，是目前最通用的ARM處理器之一，片內集成大量的通用外設，不需要用戶再擴展外部芯片，國內多個廠家提供了大量的參考程序，主要有庫函數版本、寄存器版本等。

圖4 ARM主控、按鍵及指示電路

按鍵部分一端接信號地，另一端接入ARM芯片，ARM芯片內部上拉信號使能，并打開相應的中斷線，當按鍵接觸后，ARM輸入端采集到低電平信號中斷響應，并根據FPGA和ARM之間的邏輯判斷，點亮相應的指示燈。ARM外接一個Uart端口，與外部設備擴展通信使用。

四路主鍵鼠按鍵，按下某路按鍵后，如果該路主機、該路設備均可滿足切換要求，原先主鍵鼠和主機的連接關系切斷，熄滅該路指示燈。切換至新的主鍵鼠和主機連接，同時點亮按鍵指示燈。滿足切換要求指的是要切換到的主機上電且已完成初始化，同時主鍵鼠或備用鍵鼠也完成初始化。如1、2、4路主機已上電并系統啟動完成，主鍵鼠接入，備用鍵鼠未接入。此時按第3路主鍵鼠按鍵，第3路主鍵鼠按鍵指示燈點亮，同時主鍵鼠可以操控第3路主機，如果此時按下第4路的備用鍵鼠按鍵，沒有任何相應，因為備用鍵鼠未接入，一般要求主鍵鼠或備用鍵鼠接入時鍵盤、軌跡球都要接入。

3 軟件設計

3.1 PS/2接口協議分析

PS/2鼠標和鍵盤是一種雙向同步串行協議，鍵盤/鼠標可以發送數據到主機，而主機也可以發送數據到設備。但主機總是在總線上有優先權，它可以在任何時候抑制來自于鍵盤/鼠標的通訊，主機只要把時鐘拉低即可。由于PS/2接口協議并不是一個十分標準的協議，這里我們按照一般的設備設置，將時鐘頻率設置為12.5MHz。這里需要主機，不管通信方向是從主機到設備還是從設備到主機，時鐘都是由設備產生。

（1）PS/2設備到主機通訊協議分析

從鍵盤/鼠標發送到主機的數據在時鐘信號的下降沿，即當時鐘從高變到低的時候被主機讀取。PS/2設備到主機通訊過程如圖5所示。

圖5 PS/2設備到主機通訊過程

PS/2設備要向主機發送數據時，首先檢測時鐘、數據線是否都是高電平，以此來判斷主機是否需要對設備進行通信。如果時鐘數據線都為高，PS/2設備先將數據線拉低，之后產生時鐘下降沿以產生一個Start信號，通知主機數據發送開始。主機在每個時鐘的下降沿讀入數據，并在讀取8 bit的data后校驗設備發來的奇偶校驗位，最后產生一個Stop停止信號完成本次設備到主機的通信。PS/2接口協議鍵盤輸入y按鍵，y按鍵第二套鍵盤掃描碼按下通碼是0x35，斷碼前面加一個0xf0。主鼠標在上電后，FPGA首先要初始化鼠標，之后鼠標才能正常發送數據給FPGA。

（2）PS/2主機到設備通訊協議分析

從主機發送到設備的數據在時鐘信號的上升沿，即當時鐘從低變到高的時候被設備讀取。PS /2主機到設備通訊過程如圖6所示。圖6是PS/2主機到設備通訊過程主機要向PS/2設備發送數據時，首先將時鐘信號拉低100us以上，然后拉低數據線產生一個Start起始信號。當設備檢測到這個狀態后，將開始產生時鐘信號，并且時鐘脈沖標記下輸入八個數據位、一個奇偶校驗位和一個停止位。之后拉低數據線產生一個Ack回應位，以應答主機，表明數據已收到。最后拉高數據線完成本次主機到設備的通信。PS/2主機到設備通訊各時間參數可以參考PS/2接口協議。

圖6 PS/2主機到設備通訊過程

3.2 PS/2設備側初始化流程

PS/2設備鍵盤、鼠標必須初始化才能正確工作，PS/2鍵盤有默認工作狀態：默認的機打延時、默認的機打速率、默認的Lock指示燈點亮狀態。一般默認的機打延時和機打速率都需要重新設置。如果不設置，PS/2鍵盤可以按照默認參數上傳按鍵數據并和主機交互點亮Lock指示燈。PS/2鼠標必須初始化相關的參數，才能正確工作，不然不會發送數據給主機。

（1）PS/2鍵盤設備初始化流程

這是常用的PS/2鍵盤上電后初始化時間序列，主要初始化鍵盤的機打速率、機打延時、Lock燈的點滅設置。可以設置點亮也可以設置點滅Num Lock燈，設置完成后，鍵盤即可按照第二套鍵盤掃描碼發送和接收數據。特別注意引導鍵盤進入reset模式后，需要至少等待500ms，才能發送下一條設置語句，不然很容易收到鍵盤的錯誤反饋碼。

（2）PS/2鼠標設備初始化流程

PS/2鼠標和PS/2鍵盤在初始化方面有區別，PS/2鍵盤不初始化也能發送按鍵值給上位機，但是PS/2鼠標不行，必須經過初始化才能將鼠標位移數據、左中右按鍵狀態發送給主機。PS/2鼠標的初始化時間序列，按照此時間序列進行，才能正確識別帶有滾輪的鼠標。

3.3 PS/2主機側初始化流程

PS/2主機初始化流程包含PS/2鍵盤接口、PS/2鼠標接口的初始化。FPGA被動分別接收主機發送過來的指令并響應，將響應數據發送給主機。

（1）PS/2鍵盤主機接口初始化流程

艦用計算機主板上電后，FPGA邏輯芯片狀態機按照上位機發送的不同指令分別響應。

（2）PS/2鼠標主機接口初始化流程

艦用計算機主板上電后PS/2鼠標接口的發送序列，FPGA邏輯芯片狀態機按照上位機發送的不同指令分別響應。一般情況下，上電POST自檢密碼或者BIOS密碼敲入之前沒有任何命令交互。

3.4 模塊工作流程

基于FPGA的艦用PS/2鍵盤鼠標切換模塊上電后，ARM程序為切換指令主動發起者，實施相應的切換操作并點亮指示燈。只有完成上電并且枚舉識別的主機、完成枚舉識別的設備才可以切換。如果某路主機沒有上電或者枚舉失敗，發送切換指令，不能成功切換至該路主機。如果鍵鼠設備某路不能識別，該設備也不能切換，不能切換成功的指令仍維持上次的狀態結果，若成功切換后點亮該路指示燈。設備上電前，要求鍵盤鼠標都要連接上。ARM切換功能子函數見下述流程圖7（a）。

FPGA程序功能：（1）識別主機接口鍵盤、鼠標的指令，完成主機的枚舉識別；（2）識別設備接口鍵盤、鼠標的指令，完成兩路鍵盤、鼠標的枚舉識別；（3）響應ARM切換操作指令，完成切換數據流的連接；（4）響應ARM切換狀態查詢，能夠實施監控切換過程中的各狀態量。FPGA主機鍵盤、鼠標各子程序見下述流程圖7（b）、（c）。FPGA程序持續檢測主機是否上電，如果主機上電，FPGA初始化模塊開始工作，分別模擬設備與主機側進行初始化、模擬主機與設備側進行初始化。FPGA主機鍵盤、鼠標功能函數有區別，鍵盤數據有上行、下行，枚舉完成后下行通訊主要是主機發送點燈碼數據給設備。而主機鼠標接口完成枚舉后，一般不再發送數據給設備，只有設備發送位移和按鍵碼數據給主機，如果有特殊指令如初始化指令，由FPGA的IP核應答主機。PS/2設備端鍵盤接口功能主要完成鍵盤設備的枚舉，響應鍵盤的點燈指令，發送鍵盤數據至連接的主機鍵盤接收FIFO隊列中。PS/2設備端鼠標接口功能主要完成鼠標設備的枚舉，完成枚舉后，使能鼠標設備，即時將鼠標位移數據、左中右按鍵數據發送至連接的主機鼠標接收FIFO隊列中。因功能不復雜，這里不再給出流程圖。

圖7 基于FPGA和ARM的艦用PS/2鍵鼠切換模塊工作流程圖

4 模塊測試及應用

基于FPGA和ARM的艦用PS/2鍵鼠切換模塊電路，實際使用時主鍵鼠、備用鍵鼠至少連接1路，4路主機至少連接1路。測試時，2路設備端（各包含鍵盤、鼠標）全部連接，4路主機端（各包含鍵盤、鼠標接口）全部連接。設備端鍵盤、鼠標要求都必須連接。4路主機分別為服務器1、服務器2、外接設備1、外界設備2。

模塊的測試項包括：（1）主機開機后能否切換；（2）主機不加電能否切換；（3）設備未連接能否切換；（4）鍵盤切換后指示燈狀態是否隨即更新；（5）鼠標、鍵盤按鍵動作過程時切換是否出現故障等現象。

計算機通過串口和模塊控制板連接，點擊應用軟件的按鈕，可以將主鍵鼠或備用鍵鼠切換至任意某一主機，需要注意的是某路主機沒有開機或枚舉失敗，主鍵鼠或備用鍵鼠不能切換至該路主機。某路設備沒有接入時，設備也不能參與切換。切換不成功時，維持上一個狀態。系統應用時，需要注意的是切換過程中盡量避免按鍵、鼠標有動作，容易丟失數據。

總結：本文實現了基于FPGA和ARM的艦用PS/2鍵鼠切換模塊，通過按鍵或者遠程軟件操作，實現2路PS/2鍵鼠，4路主機的任意切換。模塊支持2路或1路鍵鼠，1路至4路主機的任意裁剪使用。經過一段時間的艦用環境下運行和操作，該模塊運行可靠穩定。基于PS/2接口協議的鍵鼠切換模塊設計與實現推進了艦用裝備PS/2接口協議操控部件的改造、加裝及共享。