基于WinCE操作系統的通用USB數控鍵盤(pán)設計*

摘要： 提出了一個(gè)基于WinCE操作系統的通用USB數控鍵盤(pán)設計。實(shí)現了鍵盤(pán)與主機之間快速靈活的數據通信。

關(guān)鍵詞： 嵌入式；USB；數控鍵盤(pán)；WinCE

引言

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )時(shí)代的到來(lái)，機械制造行業(yè)也面臨著(zhù)如何適應網(wǎng)絡(luò )化制造的問(wèn)題。于是將計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和傳統的控制技術(shù)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(lǐng)域的熱點(diǎn)。對于一個(gè)具體的數控系統，在通過(guò)鍵盤(pán)作為人機交互工具時(shí)，按鍵的數目與功能上與其他的數控系統是不同的，實(shí)時(shí)性和高速率是工業(yè)現場(chǎng)所重視的，USB數控鍵盤(pán)相對于傳統的PS/2鍵盤(pán)具有高速率、支持熱插拔、可靈活配置等特點(diǎn)，所以要為嵌入式數控設備研發(fā)出通用的數控鍵盤(pán)，來(lái)滿(mǎn)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(gè)模塊組成：鍵盤(pán)模塊、USB接口模塊、USB和MCU通信模塊。USB數控鍵盤(pán)不需要顯示模塊，在實(shí)驗中為了便于觀(guān)察結果，采用了1602液晶顯示器，來(lái)顯示鍵值和通信的狀態(tài)。AT89S55單片機和ZLG7290均采用上電復位電路，減少系統的不必要開(kāi)支，整個(gè)電路的供電采用USB供電，有效的減少了電源干擾。

ZLG7290鍵盤(pán)模塊

ZLG7290鍵盤(pán)編碼顯示芯片具有I2C總線(xiàn)接口功能并可直接驅動(dòng)8 位共陰式數碼管(或64 只獨立的LED)，同時(shí)還可以?huà)呙韫芾矶噙_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(pán)中斷信號，方便與處理器接口；可檢測每個(gè)按鍵的連擊次數，并具有鍵盤(pán)去抖動(dòng)處理、雙鍵互鎖處理等功能。  
 
在設計的過(guò)程中可以連接64個(gè)按鍵，但是在試驗的過(guò)程中，選取了具有代表性的4個(gè)按鍵，其中有一個(gè)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(xiàn)一定要與ZLG7290的地線(xiàn)相連接，避免I2C通信故障，使得I2C通信順暢。

圖2 鍵盤(pán)電路設計簡(jiǎn)圖

I2C 總線(xiàn)的器件SDA 和SCL 引腳都是漏極開(kāi)路(或集電極開(kāi)路)輸出結構。因此實(shí)際使用時(shí)，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(guò)4線(xiàn)電纜接入主機, 這4 條線(xiàn)分別為: VCC(總線(xiàn)電源)、GND(地線(xiàn))、D+和D-(數據線(xiàn))。D12DM和D12DP分別連接到PDIUSBD12芯片的 D- 和 D+引腳。D+和D- 線(xiàn)上必須串接18W+1%的精密電阻,D+和D- 線(xiàn)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(lái)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(gè)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(diǎn)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(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數據交換。

PDIUSBD12完全遵從USB1.1協(xié)議，它內部集成有串行接口引擎(SIE)、FIFO存儲器、收發(fā)器以及電壓調整器。還有SoftConnectTM、PLL鎖相環(huán)、可編程的時(shí)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(méi)有畫(huà)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(gè)外部總線(xiàn)擴展電路，那么D12 的A0引腳可通過(guò)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(jīng)過(guò)D12內部倍頻電路以后，實(shí)際D12內部時(shí)鐘為24MHz。注意兩個(gè)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(guò)一個(gè)電阻和紅色LED串聯(lián)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(shí)，該LED閃爍。因為沒(méi)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(guò)電阻上拉到VCC，因為這個(gè)引腳是開(kāi)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(dòng)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(pán)的驅動(dòng)程序與硬件平臺關(guān)聯(lián)很少，USB數控鍵盤(pán)在WinCE操作系統下具有通用性，并且該鍵盤(pán)的按鍵數目根據用戶(hù)的要求可以剪裁，功能也可以在程序設計中定制，可以滿(mǎn)足不同數控系統的需求。

I2C通信程序

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

I2C總線(xiàn)總是以字節為單位收發(fā)數據。每次傳輸的字節數量沒(méi)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(gè)字節之后還要跟一個(gè)響應位，稱(chēng)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(pán)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(jìn)行功能鍵處理， 若為普通鍵, 則轉化為十進(jìn)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(dòng)。當CPU處理前臺任務(wù)時(shí)，USB的傳輸可以在后臺進(jìn)行。這就確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結構，同時(shí)簡(jiǎn)化了編程和調試。

后臺ISR(中斷服務(wù)程序)和前臺主程序之間的數據交換可以通過(guò)事件標志和數據緩沖區來(lái)實(shí)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(huán)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(wù)直到完成。

圖4 前后臺工作原理

對于這種結構，主循環(huán)不關(guān)心數據是否來(lái)自USB、串口還是并口，其只檢查循環(huán)緩沖區內需要處理的新數據。主循環(huán)程序專(zhuān)注于數據的處理，而ISR 能夠以最大可能的速度進(jìn)行數據的傳輸，相似的控制端點(diǎn)在數據包處理時(shí)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(huán)向協(xié)議處理程序發(fā)出請求，由于所有的標準器件級別和廠(chǎng)商請求都是在協(xié)議處理程序中進(jìn)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(xié)議層進(jìn)行修改。

USB在WinCE下驅動(dòng)程序和應用程序

整個(gè)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(xié)議并且集成了USB收發(fā)器。WinCE操作系統下有自帶的一些驅動(dòng)程序，但是這些驅動(dòng)程序不能滿(mǎn)足本系統的設計需求，所以需要編寫(xiě)USB Host驅動(dòng)程序。

應用程序是系統與用戶(hù)的接口, 它通過(guò)通用驅動(dòng)程序完成對外設的控制和通信。主機用戶(hù)程序的編寫(xiě)使用EVC++ 編譯環(huán)境下的API 函數實(shí)現。程序中主要用到兩個(gè)API 函數: CreateFile( )和DeviceIoControl( )。首先查找設備, 打開(kāi)設備的句柄: 調用Win32 函數CreatFile( )得到設備驅動(dòng)程序的句柄。然后進(jìn)行讀寫(xiě)和控制操作: 調用Win32 函數DeviceIoControl(),通過(guò)得到的句柄把IoControlCode 和相關(guān)的輸入輸出緩沖區提交給驅動(dòng)程序。最后關(guān)閉設備句柄: 當退出應用程序時(shí), 用CloseHandle ( )關(guān)閉設備。

結語(yǔ)

本文提出的嵌入式數控鍵盤(pán)已經(jīng)設計完成，在項目組測試中達到了預期的效果。用USB鍵盤(pán)輸入時(shí)，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(hù)需求定制按鍵的具體功能，滿(mǎn)足數控系統的需要。

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