摘? 要: 分析了PS/2鼠標(biāo)的接口和通信協(xié)議,介紹了PS/2鼠標(biāo)與單片機的接口設(shè)計方法,配合點陣LCD顯示器,實現(xiàn)了嵌入式設(shè)備的圖形化" title="圖形化">圖形化人機接口" title="人機接口">人機接口(GUI)。
關(guān)鍵詞: PS/2接口? 雙向同步串行協(xié)議? GUI
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當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用,但傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的人機接口多采用小鍵盤操作的文本菜單方式,用戶操作較為不便。本文介紹了一種利用PS/2接口鼠標(biāo),在點陣LCD的單片機系統(tǒng)上實現(xiàn)圖形化用戶界面的方案。用窗口菜單和圖形按鈕取代了傳統(tǒng)的鍵盤操作,具有成本低?效果好等特點,具有很強的實用性。
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(xiàn)代的鼠標(biāo)和鍵盤,由IBM最初開發(fā)和使用。物理上的PS/2接口有兩種類型的連接器: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(biāo),鼠標(biāo)的地連接到主機電源地上。
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1.2 接口協(xié)議原理
PS/2鼠標(biāo)接口采用一種雙向同步串行協(xié)議。即每在時鐘線上發(fā)一個脈沖,就在數(shù)據(jù)線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)。在相互傳輸中,主機擁有總線控制權(quán),即它可以在任何時候抑制鼠標(biāo)的發(fā)送。方法是把時鐘線一直拉低,鼠標(biāo)就不能產(chǎn)生時鐘信號" title="時鐘信號">時鐘信號和發(fā)送數(shù)據(jù)。在兩個方向的傳輸中,時鐘信號都是由鼠標(biāo)產(chǎn)生,即主機不產(chǎn)生通信時鐘信號。
如果主機要發(fā)送數(shù)據(jù),它必須控制鼠標(biāo)產(chǎn)生時鐘信號。方法如下:主機首先下拉時鐘線至少100μs抑制通信,然后再下拉數(shù)據(jù)線,最后釋放時鐘線。通過這一時序控制鼠標(biāo)產(chǎn)生時鐘信號。當(dāng)鼠標(biāo)檢測到這個時序狀態(tài),會在10ms內(nèi)產(chǎn)生時鐘信號。如圖3中(A)時序段。主機和鼠標(biāo)之間,傳輸數(shù)據(jù)幀的時序如圖2?圖3所示。
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2 PS/2鼠標(biāo)的工作模式和協(xié)議數(shù)據(jù)包格式
2.1 PS/2鼠標(biāo)的四種工作模式
PS/2鼠標(biāo)的四種工作模式是:Reset模式,當(dāng)鼠標(biāo)上電" title="上電">上電或主機發(fā)復(fù)位命令(0xFF)給它時進入這種模式;Stream模式,鼠標(biāo)的默認模式,當(dāng)鼠標(biāo)上電或復(fù)位完成后,自動進入此模式,鼠標(biāo)基本上以此模式工作;Remote模式,只有在主機發(fā)送了模式設(shè)置命令(0xF0)后,鼠標(biāo)才進入這種模式;Wrap模式,這種模式只用于測試鼠標(biāo)與主機連接是否正確。
2.2 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)
PS/2鼠標(biāo)在工作過程中,會及時把它的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式如表1所示。
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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軸方向的移動計量值,是二進制補碼值。Byte4的低四位表示滾輪的移動計量值,也是二進制補碼值,高四位作為擴展符號位。這種數(shù)據(jù)包由帶滾輪的三鍵三維鼠標(biāo)產(chǎn)生。若是不帶滾輪的三鍵鼠標(biāo),產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包沒有Byte4,其余的相同。
3 設(shè)計與實現(xiàn)
3.1 接口設(shè)計
因為PS/2鼠標(biāo)接口采用雙向同步串行協(xié)議,時鐘脈沖" title="時鐘脈沖">時鐘脈沖信號(以下皆稱CLOCK)總是由鼠標(biāo)產(chǎn)生。因此,可以考慮這種方案:鼠標(biāo)的CLOCK接主機的一外中斷線,數(shù)據(jù)線(以下皆稱DATA)接主機的某一I/O口線,如圖4所示。
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在主機程序中,利用每個數(shù)據(jù)位的時鐘脈沖觸發(fā)中斷,在中斷例程中實現(xiàn)數(shù)據(jù)位的判斷和接收。在實驗過程中,通過合適的編程,能夠正確控制并接收鼠標(biāo)數(shù)據(jù)。但該方案有一點不足,由于每個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(biāo)與主機之間以雙向同步串行協(xié)議傳送數(shù)據(jù),若不考慮CLOCK,僅考慮DATA,則其數(shù)據(jù)幀的時序與單片機的UART異步串行時序類似。所以,采用了另一種方案:鼠標(biāo)的CLOCK仍舊接主機的外中斷,但鼠標(biāo)的DATA接UART的接收腳(RxD)。參照圖4, DATA改接RxD。在初始化過程中,主機利用CLOCK的外中斷和RxD腳的I/O口線功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(biāo)已處于Stream模式的工作狀態(tài),這時鼠標(biāo)能主動發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣,主機可以在每收到一幀數(shù)據(jù)時才中斷一次。中斷次數(shù)大大降低,減少了主機資源的耗用。
不過,在此方案中,必須實現(xiàn)另一個功能:主機波特率的自適應(yīng)。因為PS/2接口的鼠標(biāo)一般工作在10kHz～20kHz時鐘頻率。不同廠家制造的鼠標(biāo)工作的時鐘頻率不同。嵌入設(shè)備主機要做到與不同鼠標(biāo)的波特率同步和自適應(yīng),才能夠正確接收鼠標(biāo)傳送來的數(shù)據(jù)。波特率的自適應(yīng)是這樣實現(xiàn):鼠標(biāo)上電自檢時會產(chǎn)生一串時鐘脈沖,利用鼠標(biāo)時鐘脈沖產(chǎn)生的中斷,結(jié)合主機的定時器測量時鐘脈沖周期,可以得出所用鼠標(biāo)的時鐘頻率,進而求出波特率。通過設(shè)置相應(yīng)的波特率寄存器,實現(xiàn)了波特率的自適應(yīng)。
3.2 軟件實現(xiàn)
軟件實現(xiàn)原理框圖如圖5所示。
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(1)鼠標(biāo)初始化
最簡單的初始化就是當(dāng)鼠標(biāo)上電自檢完成后,主機給鼠標(biāo)發(fā)送一個使能鼠標(biāo)數(shù)據(jù)傳送命令字節(jié)(0xf4),鼠標(biāo)就會在默認設(shè)置狀態(tài)下工作。主機也可實現(xiàn)自定義初始化,如:復(fù)位三次:Snd_CMD(0xff),Snd_CMD(0xff),Snd_CMD(0xff);設(shè)置采樣率:Snd_CMD(0xf3),Snd_CMD(0x0a);設(shè)置解析度(2點/毫米):Snd_CMD(0xe8),Snd_CMD(0x01);設(shè)置縮放比例(1:1):Snd_CMD(0xe6);使能鼠標(biāo)數(shù)據(jù)傳送:Snd_CMD(0xf4)。鼠標(biāo)每收到一個命令字節(jié)都會給出一個應(yīng)答字節(jié)(0xfa)。
(2)兩種方案的實現(xiàn)過程
????兩種方案的軟件實現(xiàn)過程基本相同。只是后一種方案中,初始化時還要實現(xiàn)主機波特率的自適應(yīng),關(guān)閉時鐘脈沖中斷和打開串口中斷。此后主機利用UART的接收功能接收鼠標(biāo)數(shù)據(jù)。
(3)圖形化人機接口(GUI)的實現(xiàn)
在點陣式LCD顯示屏上實現(xiàn)圖形化的人機接口界面,主要有兩個方面:一個是菜單圖標(biāo)的實現(xiàn);另一個是鼠標(biāo)光標(biāo)的實現(xiàn)。實現(xiàn)菜單圖標(biāo),顯示屏一般工作在圖形顯示模式。菜單圖標(biāo)有正常顯示狀態(tài)和反顯狀態(tài),它們都用函數(shù)實現(xiàn):void Draw_ICON(signed int xICON, signed int yICON,unsigned char *pDatICON)。xICON,yICON是圖標(biāo)所在位置的左上角坐標(biāo)值,pDatICON是各個圖標(biāo)及其不同顯示狀態(tài)的點陣碼值。反顯狀態(tài)是當(dāng)圖標(biāo)被光標(biāo)滑到或點取時才顯現(xiàn)的。實現(xiàn)鼠標(biāo)光標(biāo),又分兩種情況。一種是單層顯示的LCD,只能由程序畫出鼠標(biāo)光標(biāo)。但是,當(dāng)光標(biāo)移動較快時,畫出光標(biāo)的點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(biāo)功能的LCD,只需程序控制它的光標(biāo)移動位置,無需程序畫出光標(biāo)的點陣圖形,因而耗用主機資源較少,實現(xiàn)起來效果較好。
兩種方案簡單?明了,容易實現(xiàn),都已在實驗中得到驗證。并且,后一種方案已在某一儀表系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用?？傮w來說,隨著嵌入式處理器性能的不斷提高,在嵌入設(shè)備中接入鼠標(biāo),既可靈活使用,也可減少因接入許多按鍵而占用的口線數(shù),還能使LCD的圖形化顯示界面更美觀?更人性化。
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參考文獻
1 Adam Chapweske. The PS/2 Mouse Interface. 2001,?http://panda.cs.ndsu.nodak.edu/~achapwes/PICmicro/?
2 Adam Chapweske .PS/2 Mouse/Keyboard Protocol.2001,http://panda.cs.ndsu.nodak.edu/~achapwes/PICmicro/?
3 王田苗. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā). 北京:清華大學(xué)出版社, 2000
4 桑 楠.嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用開發(fā)技術(shù).北京:北京航天航空大學(xué)出版社, 2001