一種用于嵌入式系統(tǒng)的USB鍵盤控制接口電路設(shè)計

劉海艷等

【摘 要】本文介紹了一種基于STM32的可定制的USB鍵盤控制接口電路，與傳統(tǒng)鍵盤方案進(jìn)行了比較，介紹了電源部分、USB接口部分的設(shè)計，針對矩陣鍵盤多按鍵的特殊需求，對基本按鍵提出了改進(jìn)思路及軟件識別方法，在嵌入式系操作系統(tǒng)如WINCE、LINUX上有較高的通用性和靈活性。

【關(guān)鍵詞】STM32；USB接口；矩陣鍵盤；多按鍵

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)度與發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)無疑是當(dāng)前最熱門最有發(fā)展前途的IT應(yīng)用領(lǐng)域之一，像常見到的手機、PDA、機頂盒、高清電視（HDTV）、路由器、汽車電子、智能家電、醫(yī)療儀器、航天航空設(shè)備等都是典型的嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)中人機交互技術(shù)最為重要，WINCE和LINUX系統(tǒng)比較流行，然而這兩種系統(tǒng)的驅(qū)動開發(fā)門檻較高，尤其對于特殊的矩陣鍵盤而言，實現(xiàn)基于USB接口的控制電路具有一定的難度。本文設(shè)計了一種基于STM32的可定制的USB鍵盤控制電路，比一般的專用的USB鍵盤接口芯片更加簡單方便，利用軟件的可以進(jìn)行靈活的修改，大大的提高矩陣鍵盤的通用性。

1 方案比較

傳統(tǒng)方案：標(biāo)準(zhǔn)的PC104鍵盤大多采用專用的USB鍵盤芯片（如MC178-04B），其價格便宜而被廣泛運用，但是其接口比較固定，不利于開發(fā)者自己定制，例如按鍵連發(fā)、多鍵識別（A，E同時按下）等特定的功能需求，傳統(tǒng)方案的缺陷就慢慢的凸顯出來了。

本文設(shè)計的方案：運用帶USB接口功能的MCU（STM32F103ZET芯片）制作USB HID設(shè)備，根據(jù)矩陣鍵盤設(shè)計鍵碼掃描程序，可以完美的解決類似于上面的需求，同時STM32的芯片的性價比高、開發(fā)簡單，適合一般的嵌入式開發(fā)工程師。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計（圖1）

系統(tǒng)總共分為5部分：系統(tǒng)供電部分，JTAG調(diào)試接口，矩陣鍵盤模塊，USB從設(shè)備接口，STM32F103ZET芯片內(nèi)部包含AD模塊，為了能夠使系統(tǒng)能夠正常運行，盡管AD模塊未使用，設(shè)計時應(yīng)給予相應(yīng)正常供電，使引腳VREF+、VDDA接VCC，引腳VREF-、VSSA接GND，否則系統(tǒng)不能正常運行。

2.1 電源部分

系統(tǒng)供電部分采用LT1117三端可調(diào)線性穩(wěn)壓芯片，輸出電流可達(dá)800mA，采用SOT-223封裝以減小空間，輸入端和輸出端分別接入100nF和10uF電容進(jìn)行濾波降低電壓紋波，最終使電壓穩(wěn)定到3.3V。

2.2 USB 模塊接口電路設(shè)計（圖2）

根據(jù)USB1.1官方協(xié)議可知，USB為主從設(shè)備區(qū)分是有硬件電路實現(xiàn)的，USB HID設(shè)備屬于從設(shè)備，USB上拉電壓接在D+線上，所以本設(shè)計USB實現(xiàn)全速通訊。當(dāng)開關(guān)開啟時，嵌入式系統(tǒng)就能自動開始枚舉該USB設(shè)備。

2.3 矩陣鍵盤接口設(shè)計

傳統(tǒng)的矩陣的鍵盤識別方法為掃描法和線反轉(zhuǎn)法，只能識別單個按鍵，硬件電路設(shè)計如圖3所示：

由上圖可知當(dāng)雙按鍵按下時產(chǎn)生了線與邏輯沖突，對該設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，采用行線為開漏輸出，列線上有10K的上拉電阻，當(dāng)雙按鍵按下時1和0線與產(chǎn)生0，這樣有效的識別了雙按鍵，如圖4所示：

3 軟件設(shè)計要點

3.1 USB鍵盤配置

USB通信協(xié)議中涉及了大量的描述符等相關(guān)信息其中包括設(shè)備描述符，配置描述符，接口描述符，HID描述符等，在STM32的庫文件中給出了相關(guān)的框架hw_config.c usb_desc.c usb_istr.c usb_prop.c usb_pwr.c嵌入式開發(fā)者進(jìn)行相關(guān)的框架填寫便可進(jìn)行正確的USB通信，USB鍵盤相關(guān)配置如下：

//開啟相關(guān)時鐘

/* Select USBCLK source */

RCC_USBCLKConfig（RCC_USBCLKSource_PLLCLK_1Div5）；

/* Enable USB clock */

RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_USB， ENABLE）；

//開啟相關(guān)USB通信中斷

NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_0）；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel =

USB_LP_CAN_RX0_IRQChannel；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE；

NVIC_Init（&NVIC_InitStructure）；

//USB發(fā)送緩存

u8 Key_Buffer[8] = {0，0，0，0，0，0，0，0}；

Key_Buffer[0] = cmd；

Key_Buffer[2] = Keys；

/*copy mouse position info in ENDP1 Tx Packet Memory Area*/

UserToPMABufferCopy（Key_Buffer， GetEPTxAddr（ENDP1），8）；

SetEPTxValid（ENDP1）。

3.2 多按鍵鍵盤識別

由于需要多按鍵識別處理，使用全鍵盤掃描另外再添加了橫向多按鍵處理，縱向多按鍵處理，處理步驟如下所示：

（1）行循環(huán)輸出senCode[RSIZE] =

{0X00FE，0X00FD，0X00FB，0X00F7，0X00EF，0X00DF，0X00BF，0X007F}；

（2）列循環(huán)讀入getColDate（）；

（3）全掃描完畢后分別對獲取的列數(shù)據(jù)進(jìn)行解析：

如果數(shù)據(jù)為下列之一

{0XFE00，0XFD00，0XFB00，0XF700，0XEF00，0XDF00，0XBF00，0X7F00}；

則說明為單按鍵按下直接發(fā)送相關(guān)字符；

否則，dat & 0XFF00 ！= 0XFF00 則說明為雙按鍵按下，分別對數(shù)據(jù)的每一位進(jìn)行處理判斷在哪一位為0說明在那一列當(dāng)中有按鍵按下，同時與行輸出相結(jié)合從而有效的識別出了相關(guān)多按鍵按下；

（4）從按鍵映射表中找到相關(guān)的字符鍵碼，利用USB_SendChar（）接口函數(shù)與主機設(shè)備進(jìn)行通信。

4 結(jié)論

本文提出的基于USB接口的矩陣鍵盤控制接口電路，與傳統(tǒng)鍵盤方案進(jìn)行了比較，其可定制的特點具有更大的靈活性。針對矩陣鍵盤多按鍵的特殊需求，對基本按鍵提出了改進(jìn)的方法，對應(yīng)多按鍵的識別上，提出了合理的解決步驟。在嵌入式系操作系統(tǒng)如WINCE、LINUX上有較高的通用性和靈活性，對于有外接4X4、8X8等矩陣鍵盤，手機鍵盤等，具有一定的實用價值。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]