基于HID協(xié)議自定義工控鍵盤研究

賈書飛 商俊燕 宋潔

摘要：該文提出了一種基于USB HID協(xié)議的工控鍵盤，采用 PDIUSBD12芯片作為USB接口芯片，使用STC15F2K60S2芯片微處理器，其管腳多、性能好、制作成本低，可同時與標(biāo)準(zhǔn)大鍵盤使用或獨立使用。

關(guān)鍵詞：USB；HID；工控鍵盤；PDIUSBD12芯片

中圖分類號：TN-9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）29-0257-02

隨著用工荒出現(xiàn)，越來越多企業(yè)需要智能化設(shè)備來替代部分人工，而在這些智能化設(shè)備中，核心控制設(shè)備就是嵌入式計算機，鍵盤是一種重要的人機交互設(shè)備，方便用戶操作工業(yè)設(shè)備。工控鍵盤與標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的區(qū)別在于，工控鍵盤可以為滿足特定要求而設(shè)計，常用的接口有PS/2和USB兩種，目前隨著技術(shù)發(fā)展，USB接口以其熱拔插、采集速率高等特定，應(yīng)用越來越多。該文中采用USB接口來設(shè)計鍵盤。

1 HID協(xié)議簡介

USB HID類是一個比較大的類，其設(shè)備屬于人機交互操作的設(shè)備，用于控制計算機操作USB方面的操作：USB鍵盤、USB鼠標(biāo)、USB觸摸板、USB游戲操作桿、電話撥號設(shè)備、VCR遙控等設(shè)備。另外，一般操作系統(tǒng)會自帶HID類的驅(qū)動程序，用戶在開發(fā)是無須再開發(fā)驅(qū)動程序，只需要直接進行API調(diào)用完成通信即可，因此很多簡單的USB設(shè)備采用HID設(shè)備。

HID設(shè)備主要使用USB的中斷管道和控制管道和主機進行通信。其中必須使用端點為0的控制管道，它的主要用途是傳輸類請求代碼、USB描述符以及提供查詢消息數(shù)據(jù)；中斷管道必需中斷輸入管道，它的作用是傳輸主機到設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)。

在進行設(shè)計時，如需把設(shè)備識別為HID類必須遵守HID規(guī)范。HID設(shè)備的描述符有5個USB的標(biāo)準(zhǔn)描述符：設(shè)備描述符、接口描述符、配置描述符、字符串描述符、端點描述符；3個HID設(shè)備類特定描述符：HID描述符、物理描述符、報告描述符。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

自定義工控鍵盤主要分為兩部分進行設(shè)計：鍵盤和USB接口部分，其系統(tǒng)的組成圖如圖1所示。

該自定義工控鍵盤的設(shè)計主要包含兩部分：硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。

2.1 硬件設(shè)計

USB接口部分，目前微處理器實現(xiàn)USB通信的方案比較多，我們采用的是：單片機加PDIUSBD12芯片結(jié)構(gòu)。

PDIUSBD12芯片，作為USB器件它的性能優(yōu)化，常用在微控制器的系統(tǒng)與微控制器通過高速通用并行接口進行通信的場合。PDIUSBD12芯片的USB接口實現(xiàn)通過模塊化方法來實現(xiàn)USB，并允許選擇最合適的作為系統(tǒng)微控制器，同時也能兼容現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)還能是其他的固件減少到最小。通過這種方式可以降低開發(fā)時間、風(fēng)險和成本， 所以使用PDIUSBD12芯片來開發(fā)USB外圍設(shè)備的解決方案，是一種高效、低成本的方案，在很多外圍設(shè)備如數(shù)碼相機、掃描儀、打印機等都會使用這種方案。

單片機采用的是宏晶STC15F2K60S2，其LQFP44腳封裝，管腳多、體積小、成本低廉，在本應(yīng)用中用來進行矩陣鍵盤掃描，配合PDIUSBD12接口芯片，將掃描到的鍵值變化通過HID協(xié)議發(fā)送給USB主機。其電路原理圖如下圖2所示。

2.2 軟件設(shè)計

通過單片機給PDIUSBD12芯片發(fā)送命令和數(shù)據(jù)來實現(xiàn)PDIUSBD12和單片機之間的通信。PDIUSBD12芯片的命令字有三種：初始化命令字、通用命令字和數(shù)據(jù)流命令字。其工作流程為：1）單片機發(fā)地址命令給PDIUSBD12芯片；2）芯片根據(jù)命令要求來讀取或發(fā)送數(shù)據(jù)。

編寫固件程序主要作用是能是操作系統(tǒng)能檢測、識別設(shè)備。在設(shè)計工控鍵盤的USB固件程序分為三部分：首先進行單片機和外圍電路的初始化，接著設(shè)計主循環(huán)部分，注意其中的任務(wù)可以中斷，最后中斷服務(wù)程序。

在USB協(xié)議里，從主機開始進行傳輸，前臺工作設(shè)備為單片機需要等待中斷。工作流程為：首先發(fā)令牌包給PDIUSBD12芯片的USB設(shè)備，接著PDIUSBD12芯片接收到令牌包給單片機發(fā)中斷命令，然后單片機接受到命令后進入中斷服務(wù)程序，讀取PDIUSBD12芯片的中斷寄存器，并判斷令牌包的類型并執(zhí)行操作。

3 系統(tǒng)測試與應(yīng)用

自定義工控鍵盤測試，使用JAVA編寫一個提供鍵盤測試界面，可識別鍵盤接口電路發(fā)送上來的鍵值，并做反顯顯示，具體應(yīng)用時可對不同的按鍵值賦予不同的功能，從而實現(xiàn)工業(yè)控制要求。

首先將工控鍵盤通過USB接口接入嵌入式計算機后，當(dāng)我們按下工控鍵盤上的1鍵，則測試軟件界面上1黃色反顯，類似方法，測試出其他按鍵都正常運行。其運行效果如下圖3所示：

4 結(jié)束語

在工控領(lǐng)域，工控鍵盤設(shè)計方案很多，該文介紹了一種基于單片機和PDIUSBD12芯片結(jié)合的設(shè)計，其性能高、速度快、使用方便以及成本低廉，具有很高的實際應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

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