基于WinCE操作系統(tǒng)的通用USB數(shù)控鍵盤設計

摘要：提出了一個基于WinCE操作系統(tǒng)的通用USB數(shù)控鍵盤設計。實現(xiàn)了鍵盤與主機之間快速靈活的數(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)絡時代的到來，機械制造行業(yè)也面臨著如何適應網(wǎng)絡化制造的問題。于是將計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(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)正日益成為機械制造領域的熱點。對于一個具體的數(shù)控系統(tǒng)，在通過鍵盤作為人機交互工具時，按鍵的數(shù)目與功能上與其他的數(shù)控系統(tǒng)是不同的，實時性和高速率是工業(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，所以要為嵌入式數(shù)控設備研發(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。具體設計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)(圖1)有四個模塊組成：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，在實驗中為了便于觀察結(jié)果，采用了1602液晶顯示器，來顯示鍵值和通信的狀態(tài)。AT89S55單片機和ZLG7290均采用上電復位電路，減少系統(tǒng)的不必要開支，整個電路的供電采用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 只獨立的LED)，同時還可以掃描管理多達64 只按鍵，其中有8 只按鍵還可以作為功能鍵使用。ZLG7290 內(nèi)部還設置有連擊計數(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。

在設計的過程中可以連接64個按鍵，但是在試驗的過程中，選取了具有代表性的4個按鍵，其中有一個功能鍵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 鍵盤電路設計簡圖

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)。因此實際使用時，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, 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機的+5V電源，用于供給ZLG7290、MCU和PDIUSBD12的電源，VCC和GND分別接2個電感，起到電源的濾波作用。

PDIUSBD12和MCU通信模塊

PDIUSBD12是Philips(編者注：現(xiàn)獨立為NXP)公司的一款特點突出的USB接口芯片，它支持多路復用、非多路復用和DMA并行傳輸。PDIUSBD12需要外接MCU來進行協(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的連接都已標出。 PDIUSBD12 的8 位并行數(shù)據(jù)接入AT89S55的P0口，設計電路中只有D12一個外部總線擴展電路，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，實際D12內(nèi)部時鐘為24MHz。注意兩個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通過一個電阻和紅色LED串聯(lián)到VCC。當USB設備枚舉成功后,該LED常亮，當PC機與D12有數(shù)據(jù)通信時，該LED閃爍。因為沒有用到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，因為這個引腳是開漏的。

系統(tǒng)軟件

軟件設計包括ZLG7290控制程序、I2C通信程序、USB固件程序、在WinCE下USB Host驅(qū)動程序和應用程序。各部分采用模塊化程序設計，便于升級和維護。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計中定制，可以滿足不同數(shù)控系統(tǒng)的需求。

I2C通信程序

在程序設計時要注意：數(shù)據(jù)線SDA 的電平狀態(tài)必須在時鐘線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，每個字節(jié)之后還要跟一個響應位，稱為應答。

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, 則進行功能鍵處理， 若為普通鍵, 則轉(zhuǎn)化為十進制的值，將鍵值顯示在1602液晶顯示器上。

PDIUSBD12固件程序

固件設計的目標就是使PDIUSBD12在USB上達到最大的傳輸速率。PDIUSBD12的固件設計成完全的中斷驅(qū)動。當CPU處理前臺任務時，USB的傳輸可以在后臺進行。這就確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結(jié)構(gòu)，同時簡化了編程和調(diào)試。

后臺ISR(中斷服務程序)和前臺主程序之間的數(shù)據(jù)交換可以通過事件標志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實現(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)當前的前臺任務直到完成。

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行數(shù)據(jù)的傳輸，相似的控制端點在數(shù)據(jù)包處理時采用了同樣的概念，ISR 接收和保存數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的控制傳輸并設置相應的標志寄存器，主循環(huán)向協(xié)議處理程序發(fā)出請求，由于所有的標準器件級別和廠商請求都是在協(xié)議處理程序中進行處理，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)議層進行修改。

USB在WinCE下驅(qū)動程序和應用程序

整個系統(tǒng)采用的是ARM9微處理器作為主機，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)的設計需求，所以需要編寫USB Host驅(qū)動程序。

應用程序是系統(tǒng)與用戶的接口, 它通過通用驅(qū)動程序完成對外設的控制和通信。主機用戶程序的編寫使用EVC++ 編譯環(huán)境下的API 函數(shù)實現(xiàn)。程序中主要用到兩個API 函數(shù): CreateFile( )和DeviceIoControl( )。首先查找設備, 打開設備的句柄: 調(diào)用Win32 函數(shù)CreatFile( )得到設備驅(qū)動程序的句柄。然后進行讀寫和控制操作: 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)閉設備句柄: 當退出應用程序時, 用CloseHandle ( )關(guān)閉設備。

結(jié)語

本文提出的嵌入式數(shù)控鍵盤已經(jīng)設計完成，在項目組測試中達到了預期的效果。用USB鍵盤輸入時，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：
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)’, 北京航空航天大學出版社，2003