2018年02月04日 | 基于HID协议的工控自定义键盘接口设计方案

内容摘要：设备智能化改造大趋势下，嵌入式计算机大量的应用到工控系统中，自定义工控键盘的应用也变得越来越广泛。本文提出一种基于USB HID协议的自定义键盘设计，设计简单功能实用，免驱动自动识别。很好的解决了按需定制键盘设备的设计要求，方便了系统上位机软件编程，贴近工程实践，应用前景广阔。

    随着智能化工控设备的推广，越来越多的工控设备采用嵌入式计算机作为其控制核心。以嵌入式计算机系统为平台进行产品开发，需要进行控制单元硬件和用户应用软件设计。在应用软件设计环节，不可避免的需要用到人机交互设备，以完成操作人员对计算机系统的控制，工控键盘作为最常用的一类输入设备，进入了我们的视线。

    工控键盘区别与标准键盘，它所有按键是为满足特定产品需求而设计，常用接口有PS/2和USB。USB设备具有支持热插拔和桢采集速率高等优点，正逐步取代原来的PS/2设备，成为市场的主流。本文主要介绍一种USB接口的自定义工控键盘的设计，解决智能化数控设备中键盘定制的问题。

    1 USB BID简介

    USB接口是一种即插即用型的串行总线通信端口，广泛应用于各类计算机系统。HID类设备属于人机交互操作的设备，是USB设备中比较大的一个类，用于控制计算机操作，如USB鼠标，USB键盘等设备。操作系统自带了HID类的驱动程序，免去了驱动程序的编写，因此一些简单的USB设备，喜欢枚举成HID设备，方便了设计也方便了使用。

    所有HID设备通过USB的控制管道(默认管道，即端点0)和中断管道与主机通信。控制管道主要用于：接收USB主机的控制请示及相关的类数据;在USB主机查询时传输数据;接收USB主机的数据。中断管道主要用于：USB主机接收USB设备的异步传输数据;USB主机发送有实时性要求的数据给USB设备。

    要让计算机将一个HID设备识别为键盘设备，要完成的主要工作是修改HID设备的描述符。HID设备的描述符主要包括5个USB的标准描述符(设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符)和3个HID设备类特定描述符(HID描述符、报告描述符、实体描述符)。修改描述符可以将HID设备枚举为鼠标、键盘及其他HID设备。

    2 系统方案设计

    USB自定义工控键盘从系统构成上看主要分为键盘部分设计和USB接口设计两部分。系统组成框图如图1所示。

    其中键盘扫描部分软硬件设计根据具体键盘定制要求，预留足够的I/O，设计方案大致相同。USB接口部分，目前微处理器实现USB通信的方案比较多，主要有以下3种：1)单片机+PDIUSBD12芯片结构;2)采用Cypress公司的集成了USB2.0协议的微处理器CY7C68013A芯片;3)选用基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器。3种方案各有优势，单片机+PDIUSBD12芯片结构，设计简单，成本低廉;采用CY7C68013A芯片，集成度高，自带协议开发方便;选用STM32系列处理器，电路简单、性能优异、扩展性强、有丰富的固件资源，方便开发。

    作为新一代32位处理器STM32系列，性能提升是显而易见的，价格也比较合理，性价比非常高，有很广阔的应用前景。因此，这里构建USB工控键盘硬件平台采用STM32F103C8T6处理芯片。

    3 硬件设计

    STM32F103C8T6是中等容量的STM32产品，它基于ARM的Cortex-M3内核，具有64K片上闪存，LOFP-48封装，USB接口及丰富的其他外设接口。使用STM32F103C8T6设计USB通信接口，电路简单，性能稳定，电路原理图如图2所示。

    图中J1为USB接口直接与STM32处理器PA11、PA12相连，J3、J4为键盘扫描接口，共引出16个IO，最多可扫描8*8矩阵键盘即64个按键。其余电路为处理器最小系统电路。

    4 软件设计

    ST公司给我们提供了详尽的The USB—FS—DevICe library固件库，固件库程序结构清晰，主要分为底层和上层两个部分。

    1)底层结构包括5个文件：usb_core.c(USB总线数据处理的核心文件)，usb_init.c，usb_int.c(用于端点数据输入输入中断处理)，usb_mem.c(用于缓冲区操作)，usb_regs.c(用于寄存器操作)。

    2)上层结构总共5个文件：hw_config.c(用于USB硬件配置)、usb_pwr.c(用于USB连接、断开操作)、usb_istr.c(直接处理USB中断)、usb_prop.c(用于上层协议处理，比如HID协议，大容量存储设备协议)、usb_desc.c(具体设备的相关描述符定义和处理)。

    基于STM32 USB固件库的主程序设计流程如图3所示。

    设备初始化所做的工作主要有：初始化时钟系统、GPIO及相关设备;配置USB所用到的中断;配置和使能USB时钟;初始化全局指针。

    进入主程序大循环后，扫描按键改动，按键有变动，通过SendReport()函数将按键状态发送到USB主机。实际上这里只是将数据写入IN端点缓冲区，主机的IN令牌包来的时候，SIE负责把它返回给主机。

    5 系统测试与应用

    软件设计完成后，将程序下载到STM32处理器中，连接计算机USB给处理器上电，在完成设备初始化后，打开计算机设备管理器可以看到键盘设备中新增一项HID Keyboard Device(如图4)，这时键盘设备已经作为标准HID设备被计算机识别了。

    接下来要进行的工作要根据键盘定制要求，查阅HID用途表文档，确定工控键盘上行列值对应的按键代码，修改函数SendReport()，完成键盘定制程序设计。函数SendReport()返回8字节报告暂存在数组Buf[8]中。通过报告描述符的定义及HID用途表文档，可知Buf[0]的D0是左CTRl键，D1是左Shift键，D2是左Alt键，D3是左GUI(即Window键)，D4是右Ctrl，D5是右Shift，D6是右Alt，D7是右GUI键。Buf[1]保留，值为0。Buf[2]-Buf[7]为键值，最多可以有6个。

6 结论

    在工业控制应用领域，工控键盘定制屡见不鲜。本文通过对USB HID设备的研究，提出自定义USB工控键盘设计，电路简单，成本低廉，无需驱动自动识别，具有很高的实用价值和广阔的应用前景。