基于AVRUSB的USB小键盘设计

第 １４ 卷 第 ５ 期 ２０１２ 年 ５ 月
天津职业院校联合学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ
ＮＯ．５Ｖｏｌ．１４ Ｍａｙ．２０１２
基于 ＡＶＲＵＳＢ 的 ＵＳＢ 小键盘设计
刘景文
（天 津 滨 海 职 业 学 院 ，天 津 市 ３００４５１）
二 、ＡＶＲＵＳＢ （一）ＡＶＲＵＳＢ 是什么 ＡＶＲ 单片机是单指令周期的８位 ＲＩＳＣ 架构，执 行 速 度 快、性 能 高。ＡＶＲＵＳＢ 技 术 就 是 利 用 ＡＶＲ 单 片机高性能，用 ＡＶＲ 单片 机 的 ＩＯ 口 来 模 拟 ＵＳＢ 的 通 信 端 口，用 软 件 来 完 成 ＵＳＢ 通 信 协 议，将 普 通 的 ＡＶＲ 单片机模拟成一个 ＵＳＢ 低速设备，从而实现 ＡＶＲ 单片机与计算机之间的 ＵＳＢ 通信和控制。 （二）ＡＶＲＵＳＢ 的历史 ＡＶＲＵＳＢ 技 术 最 早 的 文 档 可 见 于 ＡＶＲ 的 官 方 应 用 笔 记 《ＡＶＲ３０９ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｕｎｉｖｅｒｓａ ｌＳｅｒｉａｌ Ｂｕｓ （ＵＳＢ）》一文中。它详细的介绍了如何使用 ＡＶＲ 单 片 机 的 普 通ＩＯ 口 来 实 现 ＵＳＢ 通 信，同 时 介 绍 了 计 算 机的驱动程序以及计算机上用 户 程 序 的 编 程 方 法，并 提 供 了 全 部 源 码。ＡＶＲ３０９ 中 介 绍 的 单 片 机 程 序 完 全是使用汇编语言编写的，不利于将程序移植到 其 他 应 用 环 境 中，这 使 得 其 应 用 受 到 了 很 多 限 制。 后 来， ＯＢＪＥＣＴＩＶＥ 公司推出了 ＡＶＲＵＳＢ。它以汇编语言实现 ＵＳＢ 通信的底层 接 口，用 Ｃ 语 言 实 现 用 户 层 的 程 序接口。ＡＶＲＵＳＢ 支持目前最流行的编译器 ＡＶＲＧＣＣ 和ＩＡＲ Ｃ，实用性强。 （三）ＡＶＲＵＳＢ 的优缺点 ＡＶＲＵＳＢ 简单易用，成本低廉，只需要 一 个 普 通 的 低 成 本 ＡＶＲ 单 片 机 以 及 很 少 的 几 个 外 部 元 件，就 可以组成一个 ＵＳＢ 系统。 由于 ＡＶＲＵＳＢ 用软件实现了硬件完 成 的 功 能，而 ＵＳＢ 通 信 的 速 率 是 比 较 高 的，所 以 进 行 ＵＳＢ 通 信 时单片机的 ＣＰＵ 占用率比较高，这造成它通信的数 据 处 理 能 力 不 是 很 强，最 大 数 据 处 理 速 度 约 为 ２０ｋ／ｓ， 因此 ＡＶＲＵＳＢ 不适合用于大数据量通信的应用场合。 三 、系 统 硬 件 设 计 ＡＶＲ 单片机制作 ＵＳＢ 小键盘结构简单，系统由两部分构成：ＵＳＢ 接口 和 矩 阵 按 键 接 口 组 成。 系 统 硬 件可以概括如下： １．ＵＳＢ 插头引脚 Ｄ＋和 Ｄ－可连接单片机的任 意ＩＯ 端 口，但 是 必 须 使 用 相 同 的ＩＯ 端 口。 采 用 Ｄ＋ 连接到 ＰＢ１，Ｄ－ 连 接 到 ＰＢ０ 此 外 数 据 线，Ｄ＋ 还 需 要 连 接 到ＩＮＴ０ 上。 当 然，如 果 Ｄ－ 连 接 到 端 口 Ｄ 上 （就是和ＩＮＴ０同一端口中），同时 Ｄ＋只连接到ＩＮＴ０，可以节省出一个引脚。 ２．引脚 Ｄ＋和 Ｄ－同单片机间各接６８欧姆电阻起到限流和保护作用，防止在 意 外 情 况 下 损 坏 计 算 机 的 ＵＳＢ 端口或单片机的端口。 ３．引脚 Ｄ＋和 Ｄ－同地间各接３．３Ｖ 稳压二极管起到限制数据线上的电平的作用。因为 在 ＵＳＢ 规 范 中规定数据线 Ｄ＋和 Ｄ－上的电平范围是３．０Ｖ 至３．６Ｖ。 ４．数据线 Ｄ－上接１．５Ｋ 上拉电阻用来通知计算机这是一个低速 ＵＳＢ 设备。 ５．１２ＭＨｚ晶体和两个２２ｐ的电容 Ｃ２和 Ｃ３组成单片机运行所必须的时钟。 ６．ＵＳＢ 插头的 ＶＣＣ 输出作为系统的电源，而 ＡＶＲ 单片机的输出电平是 Ｖｃｃ。 ７．ＰＤ４－ＰＤ７接键盘的行线、ＰＣ０－ＰＣ３接键盘的列线，形成４×４矩阵式结 构 键 盘。 如 果 需 要 更 多 的 按键可以增加行线或列线的条数。 ８．ＰＤ０、ＰＤ１接 ＲＳ２３２接口电路同 ＰＣ 机连接，将运行过程中数据传给 ＰＣ 机，可以方便系统调试。 要点１至５也是 ＡＶＲＵＳＢ 对 ＡＶＲ 单片机的硬件结构要求。 四 、系 统 软 件 设 计 ＵＳＢ 小 键 盘 的 软 件 开 发 是 在 Ａｔｍｅｌ公 司 的 ＡＶＲＳｔｕｄｉｏ 环 境 下 进 行，使 用 ＡＶＲＧＣＣ 作 为 编 译 器。 ＵＳＢ 小键盘的软件设计主要由：ＨＩＤ 报告描述符、系统硬件设置定义和 ＵＳＢ 事件处理三部分组成。 ＨＩＤ 设备以报告形式与 ＰＣ 间进行数 据 传 输，这 些 传 输 数 据 的 组 织 形 式 和 性 质 通 过 报 告 描 述 符 进 行
每次循环都定期（小于５０ｍｓ）调用 ＵＳＢ 事件处理函数 ｕｓｂＰｏｌｌ（），ＵＳＢ 事 件 处 理 函 数 ｕｓｂＰｏｌｌ（）在 没 有 ＵＳＢ 事件需要处理时将直接返回，否则将调用 ＡＶＲＵＳＢ 内 部 函 数 进 行 相 应 的 事 件 处 理，最 后 由 用 户 接 口 函数 ｕｓｂＦｕｎｃｔｉｏｎＳｅｔｕｐ处理 ＵＳＢ 请求。当请求为 ＵＳＢＲＱ＿ＨＩＤ＿ＧＥＴ＿ＲＥＰＯＲＴ 时，扫描矩阵 键 盘，得 到 按 键位置，形成报告描述符，返回报告描述符长度，退 出 用 户 接 口 函 数，ＡＶＲＵＳＢ 内 部 函 数 自 动 发 送 报 告 描 述符给 ＰＣ 机。在用户接口函数还处理 ＵＳＢＲＱ＿ＨＩＤ＿ＧＥＴ＿ＩＤＬＥ、ＵＳＢＲＱ＿ＨＩＤ＿ＳＥＴ＿ＩＤＬＥ 请求。在主循 环内也扫描矩阵键盘，如果按键按下，也通过 ＵＳＢ 中断消息，发送报告描述符给 ＰＣ 机。
关键词： ＡＶＲＵＳＢ；ＵＳＢ 控制器；ＨＩＤ；报告描述符 中 图 分 类 号 ：ＴＰ３６８ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７３－５８２Ｘ（２０１２）０５－００９６－０３
一、ＵＳＢ 小键盘设计方案分析 设计 ＵＳＢ 小键盘需要解决三个问题：键盘扫描方案选择、ＵＳＢ 接口方案选择、控制芯片选择。键 盘 扫 描的任务是用近可能短的时间获取按下键的位置，关 键 是 采 用 合 理 的 按 键 结 构 和 扫 描 方 法 选 取。ＵＳＢ 接 口在系统中是传递数据的通道，数据的传输必 需 安 装 一 定 的 规 程 进 行，这 个 规 程 就 是 ＵＳＢ 接 口 各 种 版 本 对应的协议。控制芯片是系统的核心，它是 ＵＳＢ 小 键 盘 系 统 的 核 心；控 制 芯 片 工 作 的 任 务 是 不 断 查 询 按 键状态，如果有键被按下，根据按键代表的字 符，在 特 定 格 式 数 据 中 保 存 字 符 对 应 数 据；最 后 通 过 ＵＳＢ 接 口 ，将 特 定 格 式 数 据 送 出 。 （一 ）键 盘 扫 描 方 案 选 择 键盘扫描方案包括选取采用合理的按键结构和扫描方法两个方面，按键结构有两种选择：直 接 结 构 键 盘和矩阵式结构键盘。直接结构键盘时控制芯片每个 引 脚 接 一 个 按 键，控 制 芯 片 有 多 少 引 脚 键 盘 就 有 多 少按键。优缺点是：引脚占用多，识别按键按下周 期 长。 矩 阵 式 结 构 采 用 行 列 交 叉，每 个 交 叉 点 上 可 以 安 排一个按键，优缺点是引脚占用少。针对 ＵＳＢ 小 键 盘 情 况，选 择 矩 阵 式 结 构 键 盘，采 用 ４×４ 结 构 矩 阵 式 键盘。 扫描方法波峰法和翻转法。波峰法是非常传统的方法，也叫扫描法，此法占用时间长，好 理 解，但 需 要 ４×４次查询才可以识别按键的 按 下。 翻 转 法 占 用 的 时 间 短，只 需 要 两 次 查 询 就 可 以 识 别 按 键 的 按 下，它 具 体 原 理 和 实 现 在 参 考 文 献 ［１］中 有 详 细 介 绍 。 最 后 ，键 盘 扫 描 方 案 选 择 矩 阵 式 结 构 ，采 用 翻 转 法 。 （二 ）控 制 芯 片 选 择 控制芯片选择相对 简 单，要 么 选 择 ５１ 系 列 单 片 机，要 么 选 择 ＡＶＲ 系 列 单 片 机，根 据 设 计 者 对 ５１、 ＡＶＲ 系列的熟悉、掌握程度作为选择依据，笔者选择 ＡＶＲ 系列的 ＡＴＭＥＧＡ８。 （三）ＵＳＢ 接口方案选择 ＵＳＢ 接口是选择 ＵＳＢ 从接口（ｓｌａｖｅ）芯 片，这 类 芯 片 大 致 可 以 分 成：ＵＳＢ 专 用 从 接 口 芯 片、通 用 从 接 口芯片两类。ＵＳＢ 专用从接口芯片主要实现特 定 功 能，如 ２３２ 接 口 转 ＵＳＢ、并 口 转 ＵＳＢ 等，针 对 ＵＳＢ 小 键盘的专用接口芯片比较少 见。 通 用 从 接 口 芯 片 比 较 常 用 的 是 ｐｄｉｕｓｂｄ１２，ｐｄｉｕｓｂｄ１２ 的 零 售 价 格 可 购 买 两片 ＡＴＭＥＧＡ８，价格相对较高。ｐｄｉｕｓｂｄ１２功能强大可以根据用户设计实现不同 ＵＳＢ 应用，是 ＵＳＢ 接口 芯片的选择。
收 稿 日 期 ：２０１２－０３－０６ 作者简介：刘景文 （１９６８－），男，天 津 市 人，天 津 滨 海 职 业 学 院 电 子 信 息 工 程 技 术 教 研 室 主 任，副 教 授，硕
士 ，研 究 领 域 ：是 控 制 工 程 、嵌 入 式 应 用 。
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由分析知，ＵＳＢ 小键盘设计方案可 以 是：选 择 矩 阵 式 结 构 键 盘、采 用 翻 转 法 识 别 按 键；ＵＳＢ 接 口 芯 片 的选择 ｐｄｉｕｓｂｄ１２，控制芯片选择 ＡＴＭＥＧＡ８。那么有没有一 种 方 案，将 控 制 芯 片 和 ＵＳＢ 接 口 结 合 在 一 个 芯片，５１系列和 ＡＶＲ 系列单片机都有集成 ＵＳＢ 接口的 微 控 制 芯 片，选 择 它 们 故 然 可 以 简 化 电 路，这 些 芯 片由于使用者较少，价格昂贵、采购困难。如果 在 ＡＶＲ 系 列 单 片 机 上 采 用 ＡＶＲＵＳＢ 技 术，也 可 以 实 现 控 制芯片加 ＵＳＢ 接口功能，即可以简化电路又可以节省资金，是 ＵＳＢ 小键盘设计方案的最优选择。
摘 要： 通过设计 ＵＳＢ 小键盘的必要性分析，ＵＳＢ 小键盘设计方案分析，ＵＳＢ 小 键 盘 硬 件 系 统 设 计 分 析，ＵＳＢ 小键盘软件系统分析，全面描述了基于 ＡＶＲＵＳＢ 技术的 ＵＳＢ 小 键 盘 设 计 细 节。最 后 得 出 结 论，基 于 ＡＶＲ 单 片 机 采 用 ＡＶＲＵＳＢ 技术是实现各种低速 ＵＳＢ 设备优选方案。