嵌入式設備鼠標接口的設計與實(shí)現

當前嵌入式系統技術(shù)已得到了廣泛應用，但傳統嵌入式系統的人機接口多采用小鍵盤(pán)操作的文本菜單方式，用戶(hù)操作較為不便。本文介紹了一種利用ＰＳ／２接口鼠標，在點(diǎn)陣ＬＣＤ的單片機系統上實(shí)現圖形化用戶(hù)界面的方案。用窗口菜單和圖形按鈕取代了傳統的鍵盤(pán)操作，具有成本低、效果好等特點(diǎn)，具有很強的實(shí)用性。

１ ＰＳ／２接口和協(xié)議

１．１ 接口的物理特性

ＰＳ／２接口用于許多現代的鼠標和鍵盤(pán)，由ＩＢＭ最初開(kāi)發(fā)和使用。物理上的ＰＳ／２接口有兩種類(lèi)型的連接器：５腳的ＤＩＮ和６腳的ｍｉｎｉ－ＤＩＮ。圖１就是兩種連接器的引腳定義。使用中，主機提供＋５Ｖ電源給鼠標，鼠標的地連接到主機電源地上。

１．２ 接口協(xié)議原理

ＰＳ／２鼠標接口采用一種雙向同步串行協(xié)議。即每在時(shí)鐘線(xiàn)上發(fā)一個(gè)脈沖，就在數據線(xiàn)上發(fā)送一位數據。在相互傳輸中，主機擁有總線(xiàn)控制權，即它可以在任何時(shí)候抑制鼠標的發(fā)送。方法是把時(shí)鐘線(xiàn)一直拉低，鼠標就不能產(chǎn)生時(shí)鐘信號和發(fā)送數據。在兩個(gè)方向的傳輸中，時(shí)鐘信號都是由鼠標產(chǎn)生，即主機不產(chǎn)生通信時(shí)鐘信號。

如果主機要發(fā)送數據，它必須控制鼠標產(chǎn)生時(shí)鐘信號。方法如下：主機首先下拉時(shí)鐘線(xiàn)至少１００μｓ抑制通信，然后再下拉數據線(xiàn)，最后釋放時(shí)鐘線(xiàn)。通過(guò)這一時(shí)序控制鼠標產(chǎn)生時(shí)鐘信號。當鼠標檢測到這個(gè)時(shí)序狀態(tài)，會(huì )在１０ｍｓ內產(chǎn)生時(shí)鐘信號。如圖３中?Ａ　時(shí)序段。主機和鼠標之間，傳輸數據幀的時(shí)序如圖２、圖３所示。

２ ＰＳ／２鼠標的工作模式和協(xié)議數據包格式

２．１ ＰＳ／２鼠標的四種工作模式

ＰＳ／２鼠標的四種工作模式是：Ｒｅｓｅｔ模式，當鼠標上電或主機發(fā)復位命令?０ｘＦＦ　給它時(shí)進(jìn)入這種模式；Ｓｔｒｅａｍ模式?鼠標的默認模式，當鼠標上電或復位完成后，自動(dòng)進(jìn)入此模式，鼠標基本上以此模式工作；Ｒｅｍｏｔｅ模式，只有在主機發(fā)送了模式設置命令?０ｘＦ０　后，鼠標才進(jìn)入這種模式；Ｗｒａｐ模式，這種模式只用于測試鼠標與主機連接是否正確。

２．２ 數據包結構

ＰＳ／２鼠標在工作過(guò)程中，會(huì )及時(shí)把它的狀態(tài)數據發(fā)送給主機。發(fā)送的數據包格式如表１所示。

表1 鼠標發(fā)送的數據包格式

Ｂｙｔｅ１中的Ｂｉｔ０、Ｂｉｔ１、Ｂｉｔ２分別表示左、右、中鍵的狀態(tài)，狀態(tài)值０表示釋放,１表示按下。Ｂｙｔｅ２和Ｂｙｔｅ３分別表示Ｘ軸和Ｙ軸方向的移動(dòng)計量值，是二進(jìn)制補碼值。Ｂｙｔｅ４的低四位表示滾輪的移動(dòng)計量值，也是二進(jìn)制補碼值，高四位作為擴展符號位。這種數據包由帶滾輪的三鍵三維鼠標產(chǎn)生。若是不帶滾輪的三鍵鼠標，產(chǎn)生的數據包沒(méi)有Ｂｙｔｅ４?其余的相同。

３ 設計與實(shí)現

３．１ 接口設計

因為ＰＳ／２鼠標接口采用雙向同步串行協(xié)議，時(shí)鐘脈沖信號?以下皆稱(chēng)ＣＬＯＣＫ　總是由鼠標產(chǎn)生。因此，可以考慮這種方案：鼠標的ＣＬＯＣＫ接主機的一外中斷線(xiàn)，數據線(xiàn)?以下皆稱(chēng)ＤＡＴＡ　接主機的某一Ｉ／Ｏ口線(xiàn)，如圖４所示。

在主機程序中，利用每個(gè)數據位的時(shí)鐘脈沖觸發(fā)中斷，在中斷例程中實(shí)現數據位的判斷和接收。在實(shí)驗過(guò)程中，通過(guò)合適的編程，能夠正確控制并接收鼠標數據。但該方案有一點(diǎn)不足，由于每個(gè)ＣＬＯＣＫ都要產(chǎn)生一次中斷，中斷頻繁，需要耗用大量的主機資源。

由于鼠標與主機之間以雙向同步串行協(xié)議傳送數據，若不考慮ＣＬＯＣＫ，僅考慮ＤＡＴＡ，則其數據幀的時(shí)序與單片機的ＵＡＲＴ異步串行時(shí)序類(lèi)似。所以，采用了另一種方案：鼠標的ＣＬＯＣＫ仍舊接主機的外中斷，但鼠標的ＤＡＴＡ接ＵＡＲＴ的接收腳?ＲｘＤ　。參照圖４?ＤＡＴＡ改接ＲｘＤ。在初始化過(guò)程中，主機利用ＣＬＯＣＫ的外中斷和ＲｘＤ腳的Ｉ／Ｏ口線(xiàn)功能實(shí)現數據的傳輸。初始化完成后，切換到ＲｘＤ功能?即ＵＡＲＴ的接收引腳功能　。因為鼠標已處于Ｓｔｒｅａｍ模式的工作狀態(tài)，這時(shí)鼠標能主動(dòng)發(fā)送數據。這樣，主機可以在每收到一幀數據時(shí)才中斷一次。中斷次數大大降低，減少了主機資源的耗用。

不過(guò)，在此方案中，必須實(shí)現另一個(gè)功能：主機波特率的自適應。因為ＰＳ／２接口的鼠標一般工作在１０ｋＨｚ～２０ｋＨｚ時(shí)鐘頻率。不同廠(chǎng)家制造的鼠標工作的時(shí)鐘頻率不同。嵌入設備主機要做到與不同鼠標的波特率同步和自適應，才能夠正確接收鼠標傳送來(lái)的數據。波特率的自適應是這樣實(shí)現：鼠標上電自檢時(shí)會(huì )產(chǎn)生一串時(shí)鐘脈沖，利用鼠標時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生的中斷，結合主機的定時(shí)器測量時(shí)鐘脈沖周期，可以得出所用鼠標的時(shí)鐘頻率，進(jìn)而求出波特率。通過(guò)設置相應的波特率寄存器，實(shí)現了波特率的自適應。

３．２ 軟件實(shí)現

軟件實(shí)現原理框圖如圖５所示。

(１)鼠標初始化

最簡(jiǎn)單的初始化就是當鼠標上電自檢完成后，主機給鼠標發(fā)送一個(gè)使能鼠標數據傳送命令字節 (０ｘｆ４)，鼠標就會(huì )在默認設置狀態(tài)下工作。主機也可實(shí)現自定義初始化，如：復位三次(Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆｆ),Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆｆ), Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆｆ)；設置采樣率：Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆ３),Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘ０ａ)；設置解析度(２點(diǎn)／毫米)：Ｓｎｄ＿ＣＭＤ (０ｘｅ８),Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘ０１)；設置縮放比例(１:１):Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｅ６)；使能鼠標數據傳送:Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆ４)。鼠標每收到一個(gè)命令字節都會(huì )給出一個(gè)應答字節(０ｘｆａ)。

(２)兩種方案的實(shí)現過(guò)程

兩種方案的軟件實(shí)現過(guò)程基本相同。只是后一種方案中，初始化時(shí)還要實(shí)現主機波特率的自適應，關(guān)閉時(shí)鐘脈沖中斷和打開(kāi)串口中斷。此后主機利用ＵＡＲＴ的接收功能接收鼠標數據。

(３)圖形化人機接口(ＧＵＩ)的實(shí)現

在點(diǎn)陣式ＬＣＤ顯示屏上實(shí)現圖形化的人機接口界面，主要有兩個(gè)方面：一個(gè)是菜單圖標的實(shí)現；另一個(gè)是鼠標光標的實(shí)現。實(shí)現菜單圖標，顯示屏一般工作在圖形顯示模式。菜單圖標有正常顯示狀態(tài)和反顯狀態(tài)，它們都用函數實(shí)現：ｖｏｉｄＤｒａｗ＿ＩＣＯＮ(ｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｘＩＣＯＮ, ｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｙＩＣＯＮ,ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ *ｐＤａｔＩＣＯＮ)。ｘＩＣＯＮ?ｙＩＣＯＮ是圖標所在位置的左上角坐標值，ｐＤａｔＩＣＯＮ是各個(gè)圖標及其不同顯示狀態(tài)的點(diǎn)陣碼值。反顯狀態(tài)是當圖標被光標滑到或點(diǎn)取時(shí)才顯現的。實(shí)現鼠標光標，又分兩種情況。一種是單層顯示的ＬＣＤ，只能由程序畫(huà)出鼠標光標。但是，當光標移動(dòng)較快時(shí)，畫(huà)出光標的點(diǎn)陣圖形需要耗用較多的主機資源。另一種是有雙層顯示和光標功能的ＬＣＤ，只需程序控制它的光標移動(dòng)位置，無(wú)需程序畫(huà)出光標的點(diǎn)陣圖形，因而耗用主機資源較少，實(shí)現起來(lái)效果較好。

兩種方案簡(jiǎn)單、明了，容易實(shí)現，都已在實(shí)驗中得到驗證。并且，后一種方案已在某一儀表系統中得到成功應用?？傮w來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)嵌入式處理器性能的不斷提高，在嵌入設備中接入鼠標，既可靈活使用，也可減少因接入許多按鍵而占用的口線(xiàn)數，還能使ＬＣＤ的圖形化顯示界面更美觀(guān)、更人性化。