基于HID協議的工控自定義鍵盤接口設計

隨著智能化工控設備的推廣，越來越多的工控設備采用嵌入式計算機作為其控制核心。以嵌入式計算機系統為平臺進行產品開發，需要進行控制單元硬件和用戶應用軟件設計。在應用軟件設計環節，不可避免的需要用到人機交互設備，以完成操作人員對計算機系統的控制，工控鍵盤作為最常用的一類輸入設備，進入了我們的視線。

工控鍵盤區別與標準鍵盤，它所有按鍵是為滿足特定產品需求而設計，常用接口有PS/2和USB。USB設備具有支持熱插拔和楨采集速率高等優點，正逐步取代原來的PS/2設備，成為市場的主流。本文主要介紹一種USB接口的自定義工控鍵盤的設計，解決智能化數控設備中鍵盤定制的問題。

1 USB BID簡介

USB接口是一種即插即用型的串行總線通信端口，廣泛應用于各類計算機系統。HID類設備屬于人機交互操作的設備，是USB設備中比較大的一個類，用于控制計算機操作，如USB鼠標，USB鍵盤等設備。操作系統自帶了HID類的驅動程序，免去了驅動程序的編寫，因此一些簡單的USB設備，喜歡枚舉成HID設備，方便了設計也方便了使用。

所有HID設備通過USB的控制管道(默認管道，即端點0)和中斷管道與主機通信。控制管道主要用于：接收USB主機的控制請示及相關的類數據;在USB主機查詢時傳輸數據;接收USB主機的數據。中斷管道主要用于：USB主機接收USB設備的異步傳輸數據;USB主機發送有實時性要求的數據給USB設備。

要讓計算機將一個HID設備識別為鍵盤設備，要完成的主要工作是修改HID設備的描述符。HID設備的描述符主要包括5個USB的標準描述符(設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、字符串描述符)和3個HID設備類特定描述符(HID描述符、報告描述符、實體描述符)。修改描述符可以將HID設備枚舉為鼠標、鍵盤及其他HID設備。

2 系統方案設計

USB自定義工控鍵盤從系統構成上看主要分為鍵盤部分設計和USB接口設計兩部分。系統組成框圖如圖1所示。

其中鍵盤掃描部分軟硬件設計根據具體鍵盤定制要求，預留足夠的I/O，設計方案大致相同。USB接口部分，目前微處理器實現USB通信的方案比較多，主要有以下3種：1)單片機+PDIUSBD12芯片結構;2)采用Cypress公司的集成了USB2.0協議的微處理器CY7C68013A芯片;3)選用基于ARM Cortex-M3內核的STM32系列處理器。3種方案各有優勢，單片機+PDIUSBD12芯片結構，設計簡單，成本低廉;采用CY7C68013A芯片，集成度高，自帶協議開發方便;選用STM32系列處理器，電路簡單、性能優異、擴展性強、有豐富的固件資源，方便開發。

作為新一代32位處理器STM32系列，性能提升是顯而易見的，價格也比較合理，性價比非常高，有很廣闊的應用前景。因此，這里構建USB工控鍵盤硬件平臺采用STM32F103C8T6處理芯片。

3 硬件設計

STM32F103C8T6是中等容量的STM32產品，它基于ARM的Cortex-M3內核，具有64K片上閃存，LOFP-48封裝，USB接口及豐富的其他外設接口。使用STM32F103C8T6設計USB通信接口，電路簡單，性能穩定，電路原理圖如圖2所示。