基于WinCE操作系統的通用USB數控鍵盤設計*

摘要： 提出了一個基于WinCE操作系統的通用USB數控鍵盤設計。實現了鍵盤與主機之間快速靈活的數據通信。

關鍵詞： 嵌入式；USB；數控鍵盤；WinCE

引言

隨著網絡時代的到來，機械制造行業也面臨著如何適應網絡化制造的問題。于是將計算機技術、網絡技術和傳統的控制技術相結合，以嵌入式系統為主的數控系統正日益成為機械制造領域的熱點。對于一個具體的數控系統，在通過鍵盤作為人機交互工具時，按鍵的數目與功能上與其他的數控系統是不同的，實時性和高速率是工業現場所重視的，USB數控鍵盤相對于傳統的PS/2鍵盤具有高速率、支持熱插拔、可靈活配置等特點，所以要為嵌入式數控設備研發出通用的數控鍵盤，來滿足現代化數控系統的需求。具體設計方案如圖1所示。

圖1 系統框圖

系統硬件電路設計

系統(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數控鍵盤不需要顯示模塊，在實驗中為了便于觀察結果，采用了1602液晶顯示器，來顯示鍵值和通信的狀態。AT89S55單片機和ZLG7290均采用上電復位電路，減少系統的不必要開支，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動8 位共陰式數碼管(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 內部還設置有連擊計數器，能夠使鍵按下后不松手而連續有效。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，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)輸出結構。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-(數據線)。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來進行協議處理和數據交換。

PDIUSBD12完全遵從USB1.1協議，它內部集成有串行接口引擎(SIE)、FIFO存儲器、收發器以及電壓調整器。還有SoftConnectTM、PLL鎖相環、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 位并行數據接入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，經過D12內部倍頻電路以后，實際D12內部時鐘為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串聯到VCC。當USB設備枚舉成功后,該LED常亮，當PC機與D12有數據通信時，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數控鍵盤的驅動程序與硬件平臺關聯很少，USB數控鍵盤在WinCE操作系統下具有通用性，并且該鍵盤的按鍵數目根據用戶的要求可以剪裁，功能也可以在程序設計中定制，可以滿足不同數控系統的需求。

I2C通信程序

在程序設計時要注意：數據線SDA 的電平狀態必須在時鐘線SCL 處于高電平期間保持穩定不變，SDA 的電平狀態只有在SCL 處于低電平期間才允許改變。但是在I2C總線的起始和結束時例外。

I2C總線總是以字節為單位收發數據。每次傳輸的字節數量沒有嚴格限制。首先傳輸的是數據的最高位(MSB，第7位)，最后傳輸的是最低位(LSB，第0位)。另外，每個字節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，在系統中功能鍵是配合普通鍵完成對數控系統的操作。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構，同時簡化了編程和調試。

后臺ISR(中斷服務程序)和前臺主程序之間的數據交換可以通過事件標志和數據緩沖區來實現，其原理圖如圖4所示。在ISR中，固件將數據包從PDIUSBD12內部緩沖區移到循環數據緩沖區，并在隨后清零PDIUSBD12的內部緩沖區，以便接受新的數據包。CPU可以繼續當前的前臺任務直到完成。

圖4 前后臺工作原理

對于這種結構，主循環不關心數據是否來自USB、串口還是并口，其只檢查循環緩沖區內需要處理的新數據。主循環程序專注于數據的處理，而ISR 能夠以最大可能的速度進行數據的傳輸，相似的控制端點在數據包處理時采用了同樣的概念，ISR 接收和保存數據緩沖區中的控制傳輸并設置相應的標志寄存器，主循環向協議處理程序發出請求，由于所有的標準器件級別和廠商請求都是在協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議層進行修改。

USB在WinCE下驅動程序和應用程序

整個系統采用的是ARM9微處理器作為主機，并且選用ARM9中的S3C2410作為系統的核心控制器。S3C2410內部集成了USB設備控制器，完全兼容USB1.1協議并且集成了USB收發器。WinCE操作系統下有自帶的一些驅動程序，但是這些驅動程序不能滿足本系統的設計需求，所以需要編寫USB Host驅動程序。

應用程序是系統與用戶的接口, 它通過通用驅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++ 編譯環境下的API 函數實現。程序中主要用到兩個API 函數: CreateFile( )和DeviceIoControl( )。首先查找設備, 打開設備的句柄: 調用Win32 函數CreatFile( )得到設備驅動程序的句柄。然后進行讀寫和控制操作: 調用Win32 函數DeviceIoControl(),通過得到的句柄把IoControlCode 和相關的輸入輸出緩沖區提交給驅動程序。最后關閉設備句柄: 當退出應用程序時, 用CloseHandle ( )關閉設備。

結語

本文提出的嵌入式數控鍵盤已經設計完成，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用戶需求定制按鍵的具體功能，滿足數控系統的需要。

參考文獻：
1.  http://www.microsoft.com/
2.  何宗鍵編著, Windows CE嵌入式系統，北京航空航天大學出版社，2006
3.  周立功等編著, ‘PDIUSBD12 USB固件程序與驅動開發’, 北京航空航天大學出版社，2003