基于HID協(xié)議的工控自定義鍵盤接口設(shè)計(jì)

隨著智能化工控設(shè)備的推廣，越來越多的工控設(shè)備采用嵌入式計(jì)算機(jī)作為其控制核心。以嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為平臺進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，需要進(jìn)行控制單元硬件和用戶應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，不可避免的需要用到人機(jī)交互設(shè)備，以完成操作人員對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制，工控鍵盤作為最常用的一類輸入設(shè)備，進(jìn)入了我們的視線。

工控鍵盤區(qū)別與標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，它所有按鍵是為滿足特定產(chǎn)品需求而設(shè)計(jì)，常用接口有PS/2和USB。USB設(shè)備具有支持熱插拔和楨采集速率高等優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代原來的PS/2設(shè)備，成為市場的主流。本文主要介紹一種USB接口的自定義工控鍵盤的設(shè)計(jì)，解決智能化數(shù)控設(shè)備中鍵盤定制的問題。

1 USB BID簡介

USB接口是一種即插即用型的串行總線通信端口，廣泛應(yīng)用于各類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。HID類設(shè)備屬于人機(jī)交互操作的設(shè)備，是USB設(shè)備中比較大的一個(gè)類，用于控制計(jì)算機(jī)操作，如USB鼠標(biāo)，USB鍵盤等設(shè)備。操作系統(tǒng)自帶了HID類的驅(qū)動程序，免去了驅(qū)動程序的編寫，因此一些簡單的USB設(shè)備，喜歡枚舉成HID設(shè)備，方便了設(shè)計(jì)也方便了使用。

所有HID設(shè)備通過USB的控制管道(默認(rèn)管道，即端點(diǎn)0)和中斷管道與主機(jī)通信。控制管道主要用于：接收USB主機(jī)的控制請示及相關(guān)的類數(shù)據(jù);在USB主機(jī)查詢時(shí)傳輸數(shù)據(jù);接收USB主機(jī)的數(shù)據(jù)。中斷管道主要用于：USB主機(jī)接收USB設(shè)備的異步傳輸數(shù)據(jù);USB主機(jī)發(fā)送有實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)給USB設(shè)備。

要讓計(jì)算機(jī)將一個(gè)HID設(shè)備識別為鍵盤設(shè)備，要完成的主要工作是修改HID設(shè)備的描述符。HID設(shè)備的描述符主要包括5個(gè)USB的標(biāo)準(zhǔn)描述符(設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符、字符串描述符)和3個(gè)HID設(shè)備類特定描述符(HID描述符、報(bào)告描述符、實(shí)體描述符)。修改描述符可以將HID設(shè)備枚舉為鼠標(biāo)、鍵盤及其他HID設(shè)備。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

USB自定義工控鍵盤從系統(tǒng)構(gòu)成上看主要分為鍵盤部分設(shè)計(jì)和USB接口設(shè)計(jì)兩部分。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

其中鍵盤掃描部分軟硬件設(shè)計(jì)根據(jù)具體鍵盤定制要求，預(yù)留足夠的I/O，設(shè)計(jì)方案大致相同。USB接口部分，目前微處理器實(shí)現(xiàn)USB通信的方案比較多，主要有以下3種：1)單片機(jī)+PDIUSBD12芯片結(jié)構(gòu);2)采用Cypress公司的集成了USB2.0協(xié)議的微處理器CY7C68013A芯片;3)選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列處理器。3種方案各有優(yōu)勢，單片機(jī)+PDIUSBD12芯片結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)簡單，成本低廉;采用CY7C68013A芯片，集成度高，自帶協(xié)議開發(fā)方便;選用STM32系列處理器，電路簡單、性能優(yōu)異、擴(kuò)展性強(qiáng)、有豐富的固件資源，方便開發(fā)。

作為新一代32位處理器STM32系列，性能提升是顯而易見的，價(jià)格也比較合理，性價(jià)比非常高，有很廣闊的應(yīng)用前景。因此，這里構(gòu)建USB工控鍵盤硬件平臺采用STM32F103C8T6處理芯片。

3 硬件設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6是中等容量的STM32產(chǎn)品，它基于ARM的Cortex-M3內(nèi)核，具有64K片上閃存，LOFP-48封裝，USB接口及豐富的其他外設(shè)接口。使用STM32F103C8T6設(shè)計(jì)USB通信接口，電路簡單，性能穩(wěn)定，電路原理圖如圖2所示。