用單片機實現USB/PS2 MOUSE的設計
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引言
USB 低速設備的設計發展到現在已經有了相當的成熟度。 各家IC公司都推出了USB DEVICE端的解決方案, 一般以8 BIT CPU CORE + USB SIE為主流構架。 SH69P04是中穎電子(Sinowealth)本著豐富USB產品應用,降低USB IC成本而設計的4BIT OTP單片機, 用以開發USB DEVICE設備。
SH69P04的功能及特點
圖1
如圖1, SH69P04集成了USB SIE, 支持USB和PS2端口復用。 內建1.5K可控上拉電阻為用戶節約成本, 并能建立和PC穩定的通訊。 專門為MOUSE設計的I/O端口。 雙CLOCK系統使IC耗電更少, 輕易滿足USB-IF對SUSPEND電流的要求。 8K×16 BIT的OTP ROM, 方便用戶開發。 最大可支持40×8 的LCD顯示或31個I/O, 滿足用戶的各種應用。 另外還內建Watch Dog, Low Power Detect功能。
1. USB和PS2端口共用
通過寄存器實現USB端口和PS2端口的切換
PS2PU = 1: 如果PS2IS = 1, 則內部PS2專用上拉電阻起作用。當需要使用USB端口時, 只要讓PS2IS = 0即能關閉PS2端口及其上拉電阻。
2. 1.5KΩ可控上拉電阻
如圖2, 有了這個1.5KΩ可控上拉電阻一方面可以節約成本, 另一方面可以實現軟開關, 確保PC認出DEVICE。
當USB DEVICE和PC相連后由于內部1.5KΩ上拉電阻并未打開, 所以PC不認為有新的設備連接。 在打開上拉電阻前用戶可以放心的完成程序初始化及其它客戶程序, 而不必擔心需要及時響應USB總線上的信號。 這是因為如果沒有可控的上拉電阻而是直接外加, 那么當DEVICE和PC相連后, PC馬上就會知道有新的設備連接, 在一定時間后就會向DEVICE發送信號, 如果DEVICE連續幾次通訊失敗的話, PC就認為該DEVICE出錯而不會再和它通訊。
另外結合Watch Dog可以進一步確保DEVICE的連接。 用戶可以事先計算一下整個USB初始化過程所需的時間, 并設置Watch Dog。 萬一USB初始化出錯就可以產生Watch Dog Reset, 1.5KΩ上拉就被關閉, 程序重新開始。 PC就會認為DEVICE有了一次插拔動作。程序死鎖也可以用這種方法來解決。
3. 專為MOUSE設計的I/O端口
如圖3, 原理分析時Q1.1和Q1.3是輸出方波。 實際上由于Photo Transistors是采用光敏三極管, 當光柵轉動時, 光敏三極管受到的光線也是連續變化的, 所以輸出的波形也是連續變化的。 又因為光柵無法完全阻隔光線, 所以會產生一個OFFSET電平。 實際波形如圖4。
圖中VIH表示一旦輸入電平高于VIH, 那么MCU就認為是高電平。 VIL表示一旦輸入電平低于VIL, 那么MCU就認為是低電平。 在圖4所示的這種狀態下MCU可以很方便的讀到光柵轉動的情況。 但是由于干擾或者元器件老化等原因造成OFFSET電平發生變化, 使得輸入信號的電平無法和VIH、VIL相交(如圖5), MCU就會認為輸入的信號一直為高或一直為低。
SH69P04為每一個MOUSE的端口提供三檔下拉電阻(如圖4)來控制OFFSET電平。 通過寄存器來選擇下拉電阻的阻值, 用以解決由于OFFSET電平的變化而引起的錯誤。
軟件設計
USB協議雖然很復雜, 但是MOUSE端需要編寫的程序卻十分有限。 用戶很容易就能和PC建立聯系。(Windows端HID驅動程序由操作系統提供)
1. USB/PS2端口的監測
第一步: 上電, delay 50ms 第二步: 在2ms的時間內監測D-的電平, 如果有4次為高電平, 就是PS2接口。 否
則進入第三步第三步: 打開USB上拉電阻, delay500us, 反復監測D+和D-的電平, 直到其中有一個出現高電平。 如果D+是高電平, 則為PS2接口。 如果D-是低電平, 則進入第4步。第四步: 關閉USB上拉電阻, delay 100us。 如果D+/D-都為低電平, 則為USB接口。
否則就是PS2接口。
2. USB Enumeration過程
整個過程有點像做測試題。 PC問, MOUSE回答。 其中關鍵是要告訴PC, 自身是一個MOUSE, 支持HID協議。 由于篇幅有限, 就不詳細列出了。
3. 把MOUSE的信息傳給PC
在Enumeration過程中, MOUSE會告訴PC后續X,Y,Z,按鍵這些信息的格式。 當MOUSE有動作時, 只要按這個格式把數據返回給PC就可以了。 剩下的事情PC端HID驅動程序會去完成。
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