基于Cortex-M0的USB密碼鍵盤(pán)的設計與實(shí)現

引言

密碼鍵盤(pán)廣泛地應用在金融、電信、會(huì )員卡等很多領(lǐng)域，現在市場(chǎng)的密碼鍵盤(pán)主要有三大類(lèi)接口：PS2、串口和USB。但是隨著(zhù)個(gè)人計算機通用外圍設備越來(lái)越少地使用串口和PS2接口，這兩種接口正在逐漸從個(gè)人計算機特別是便攜式電腦上消失。而現在市場(chǎng)上的很多USB密碼鍵盤(pán)往往是采用在原來(lái)設計的基礎上加PS2轉USB芯片(HID類(lèi))或者UART轉USB芯片(CDC類(lèi))實(shí)現，這就造成硬件版本不兼容，生產(chǎn)必須有兩個(gè)硬件版本。本方案基于一套硬件結構，通過(guò)軟件的升級方便地實(shí)現HID類(lèi)和CDC類(lèi)產(chǎn)品之間的轉換。

1 NUC120概述

NUC120系列是Nuvoton公司推出的內嵌ARMCortex-M0核的32位微控制器，該系列最高可運行至50MHz外部時(shí)鐘，內建32 KB／64 KB／128 KB的Flash存儲器和4 KB／8 KB／16 KB的內建SRAM；并內置定時(shí)器、看門(mén)狗定時(shí)器、RTC、PDMA、UART、SPI／SSP、I2C、I2S、PWM定時(shí)器、GPIO、USB 2．0 FS設備、12位ADC、模擬比較器、低電壓檢測和欠壓檢測功能。

2 USB協(xié)議簡(jiǎn)介

USB通用串行總線(xiàn)不是一種新的總線(xiàn)標準，而是應用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)，USB接口支持設備的即插即用和熱插拔功能。USB協(xié)議將設備分為幾大類(lèi)，每一大類(lèi)義分為若干子類(lèi)，分別滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的應用需求。每一大類(lèi)都用一個(gè)類(lèi)型號標識，如音頻設備為01，人機界面設備為03，海量存儲設備為08。USB的數據傳輸共有4種類(lèi)型：控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸。在USB標準子類(lèi)中，本文主要討論兩類(lèi)子集——HID類(lèi)和CDC類(lèi)。

2．1 HID類(lèi)

HID(Human Interface Device，人機交互設備)類(lèi)是比較大的一個(gè)類(lèi)，用于控制計算機操作的一些方面，如USB鼠標、USB鍵盤(pán)、USB游戲操縱桿、USB觸摸板、USB軌跡球、電話(huà)撥號設備、VCR遙控等設備。另外，使用HID設備的一個(gè)好處就是，操作系統自帶了HID類(lèi)的驅動(dòng)程序，而用戶(hù)無(wú)需去開(kāi)發(fā)很麻煩的驅動(dòng)程序，只要直接使用API調用即可完成通信。所以很多簡(jiǎn)單的USB設備，喜歡枚舉成HID設備，這樣就可以不用安裝驅動(dòng)而直接使用。

2．2 CDC類(lèi)

CDC(Commuuication Devce Class，通信設備類(lèi))類(lèi)是USB組織定義的一類(lèi)專(zhuān)門(mén)給各種通信設備(電信通信設備和中速網(wǎng)絡(luò )通信設備)使用的USB子類(lèi)。根據CDC類(lèi)所針對通信設備的不同，CDC類(lèi)又被分成以下不同的模型：USB傳統純電話(huà)業(yè)務(wù)(POTS)模型、USB ISDN模型和USB網(wǎng)絡(luò )模型。其中，USB傳統純電話(huà)業(yè)務(wù)模型又可分為直接線(xiàn)控制模型(Direct Line Control Model)、抽象控制模型(Abstract Control Model)和USB電話(huà)模型(USBTelephone Model)。通常一個(gè)CDC類(lèi)又包括兩個(gè)接口子類(lèi)——通信接口類(lèi)(Communication Interface Class)和數據接口類(lèi)(Data Interface Class)。該子類(lèi)可以實(shí)現虛擬串口通信的協(xié)議。

3 硬件設計

3．1 鍵盤(pán)設計

矩陣鍵盤(pán)又稱(chēng)為行列式鍵盤(pán)，本方案是用4根I／O線(xiàn)作為行線(xiàn)，3根I／O線(xiàn)作為列線(xiàn)組成行列式鍵盤(pán)，鍵盤(pán)設計方案如圖1所示。在行線(xiàn)和列線(xiàn)的每一個(gè)交叉點(diǎn)上，設置一個(gè)按鍵。這樣鍵盤(pán)中按鍵的個(gè)數是3×4個(gè)。這種行列式鍵盤(pán)結構能夠有效地提高單片機系統中I／O接口的利用率。NUC120系列每個(gè)I／O接口都可以作為外部中斷輸入腳，在此硬件基礎上，可以采用中斷式或查詢(xún)式程序設計思路，本方案采用一個(gè)單獨的定時(shí)器來(lái)定時(shí)掃描按鍵。


3．2 USB通信接口設計

NUC120系列自帶USB接口，該接口直接采用內置USB串行接口引擎(SIE)，而且兼容USB 2．0全速規格。

其主要特征如下：

◆提供1個(gè)中斷向量和4個(gè)中斷事件(WAKEUP、FLDET、USB和BUS)；
◆支持Control／Bulk／Interrupt／Isochronous傳輸類(lèi)型；
◆在沒(méi)有總線(xiàn)活動(dòng)超過(guò)3 ms后支持暫停功能；
◆為可配置的Control／Bulk／Interrupt／Isochronous傳輸類(lèi)型提供6個(gè)端點(diǎn)和最大512字節的緩存；
◆提供遠程喚醒功能。

USB通信接口電路如圖2所示。在D+、D-線(xiàn)上采用100Ω電阻進(jìn)行限流。


4 軟件設計

4．1 USB接口程序

Nuvoton公司為NUC120系列CPU提供了所有外設的驅動(dòng)庫函數，并在USB應用方面提供了大量的例程。

本方案的兩套軟件分別參照Smpl_HID和Smpl_VCOM設計，大大縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。庫函數提供的例程如圖3所示。


4．2 鍵盤(pán)掃描程序

鍵盤(pán)掃描采用定時(shí)器0，設置定時(shí)器0為每1 ms中斷一次來(lái)判斷是否有按鍵。鍵盤(pán)掃描程序流程如圖4所示。長(cháng)按不連續輸出，同一個(gè)按鍵，必須按下、抬起才有效。讀者可以根據自己系統的實(shí)際要求進(jìn)行修改。鍵盤(pán)防抖處理可以根據自己的鍵盤(pán)類(lèi)型來(lái)設置具體的時(shí)間(本方案是10ms)。


結語(yǔ)

本方案采用基于A(yíng)RM cortex-M0內核的NUC120系列微控制器，并且有很大的擴展性，可以方便地連接液晶、語(yǔ)音芯片；由于內核主頻最高可達50 MHz，能夠實(shí)現3DES加／解密等對于8位機來(lái)說(shuō)較復雜的運算功能，具有很高的性?xún)r(jià)比。