原创 嵌入式设备鼠标接口的设计与实现

作者：陈志宇 沈建华

当前嵌入式系统技术已得到了广泛应用，但传统嵌入式系统的人机接口多采用小键盘操作的文本菜单方式，用户操作较为不便。本文介绍了一种利用PS/2接口鼠标，在点阵LCD的单片机系统上实现图形化用户界面的方案。用窗口菜单和图形按钮取代了传统的键盘操作，具有成本低、效果好等特点，具有很强的实用性。
1 PS/2接口和协议
1.1 接口的物理特性
PS/2接口用于许多现代的鼠标和键盘，由IBM最初开发和使用。物理上的PS/2接口有两种类型的连接器：5脚的DIN和6脚的mini-DIN。图1就是两种连接器的引脚定义。使用中，主机提供＋5V电源给鼠标，鼠标的地连接到主机电源地上。

1.2 接口协议原理
PS/2鼠标接口采用一种双向同步串行协议。即每在时钟线上发一个脉冲，就在数据线上发送一位数据。在相互传输中，主机拥有总线控制权，即它可以在任何时候抑制鼠标的发送。方法是把时钟线一直拉低，鼠标就不能产生时钟信号和发送数据。在两个方向的传输中，时钟信号都是由鼠标产生，即主机不产生通信时钟信号。
如果主机要发送数据，它必须控制鼠标产生时钟信号。方法如下：主机首先下拉时钟线至少100μs抑制通信，然后再下拉数据线，最后释放时钟线。通过这一时序控制鼠标产生时钟信号。当鼠标检测到这个时序状态，会在10ms内产生时钟信号。如图3中(A)时序段。主机和鼠标之间，传输数据帧的时序如图2、图3所示。

2 PS/2鼠标的工作模式和协议数据包格式
2.1 PS/2鼠标的四种工作模式
PS/2鼠标的四种工作模式是：Reset模式，当鼠标上电或主机发复位命令(0xFF)给它时进入这种模式；Stream模式鼠标的默认模式，当鼠标上电或复位完成后，自动进入此模式，鼠标基本上以此模式工作；Remote模式，只有在主机发送了模式设置命令(0xF0)后，鼠标才进入这种模式；Wrap模式，这种模式只用于测试鼠标与主机连接是否正确。
2.2 数据包结构
PS/2鼠标在工作过程中，会及时把它的状态数据发送给主机。发送的数据包格式如表1所示。

Byte1中的Bit0、Bit1、Bit2分别表示左、右、中键的状态，状态值0表示释放1表示按下。Byte2和Byte3分别表示X轴和Y轴方向的移动计量值，是二进制补码值。Byte4的低四位表示滚轮的移动计量值，也是二进制补码值，高四位作为扩展符号位。这种数据包由带滚轮的三键三维鼠标产生。若是不带滚轮的三键鼠标，产生的数据包没有Byte4其余的相同。
3 设计与实现
3.1 接口设计
因为PS/2鼠标接口采用双向同步串行协议，时钟脉冲信号(以下皆称CLOCK)总是由鼠标产生。因此，可以考虑这种方案：鼠标的CLOCK接主机的一外中断线，数据线(以下皆称DATA)接主机的某一I/O口线，如图4所示。

在主机程序中，利用每个数据位的时钟脉冲触发中断，在中断例程中实现数据位的判断和接收。在实验过程中，通过合适的编程，能够正确控制并接收鼠标数据。但该方案有一点不足，由于每个CLOCK都要产生一次中断，中断频繁，需要耗用大量的主机资源。 由于鼠标与主机之间以双向同步串行协议传送数据，若不考虑CLOCK，仅考虑DATA，则其数据帧的时序与单片机的UART异步串行时序类似。所以，采用了另一种方案：鼠标的CLOCK仍旧接主机的外中断，但鼠标的DATA接UART的接收脚(RxD)。参照图4，DATA改接RxD。在初始化过程中，主机利用CLOCK的外中断和RxD脚的I/O口线功能实现数据的传输。初始化完成后，切换到RxD功能(即UART的接收引脚功能)。因为鼠标已处于Stream模式的工作状态，这时鼠标能主动发送数据。这样，主机可以在每收到一帧数据时才中断一次。中断次数大大降低，减少了主机资源的耗用。 不过，在此方案中，必须实现另一个功能：主机波特率的自适应。因为PS/2接口的鼠标一般工作在10kHz～20kHz时钟频率。不同厂家制造的鼠标工作的时钟频率不同。嵌入设备主机要做到与不同鼠标的波特率同步和自适应，才能够正确接收鼠标传送来的数据。波特率的自适应是这样实现：鼠标上电自检时会产生一串时钟脉冲，利用鼠标时钟脉冲产生的中断，结合主机的定时器测量时钟脉冲周期，可以得出所用鼠标的时钟频率，进而求出波特率。通过设置相应的波特率寄存器，实现了波特率的自适应。
3.2 软件实现
软件实现原理框图如图5所示。

(1)鼠标初始化
最简单的初始化就是当鼠标上电自检完成后，主机给鼠标发送一个使能鼠标数据传送命令字节(0xf4)，鼠标就会在默认设置状态下工作。主机也可实现自定义初始化，如：复位三次：Snd＿CMD(0xff)，Snd＿CMD(0xff)，Snd＿CMD(0xff)；设置采样率：Snd＿CMD(0xf3)，Snd＿CMD(0x0a)；设置解析度(2点/毫米)：Snd＿CMD(0xe8)，Snd＿CMD(0x01)；设置缩放比例(1：1)：Snd＿CMD(0xe6)；使能鼠标数据传送：Snd＿CMD(0xf4)。鼠标每收到一个命令字节都会给出一个应答字节(0xfa)。
(2)两种方案的实现过程
两种方案的软件实现过程基本相同。只是后一种方案中，初始化时还要实现主机波特率的自适应，关闭时钟脉冲中断和打开串口中断。此后主机利用UART的接收功能接收鼠标数据。
(3)图形化人机接口(GUI)的实现
在点阵式LCD显示屏上实现图形化的人机接口界面，主要有两个方面：一个是菜单图标的实现；另一个是鼠标光标的实现。实现菜单图标，显示屏一般工作在图形显示模式。菜单图标有正常显示状态和反显状态，它们都用函数实现：void Draw＿ICON(signed int xICON，signed int yICON，unsigned char*pDatICON)。xICON，yICON是图标所在位置的左上角坐标值，pDatICON是各个图标及其不同显示状态的点阵码值。反显状态是当图标被光标滑到或点取时才显现的。实现鼠标光标，又分两种情况。一种是单层显示的LCD，只能由程序画出鼠标光标。但是，当光标移动较快时，画出光标的点阵图形需要耗用较多的主机资源。另一种是有双层显示和光标功能的LCD，只需程序控制它的光标移动位置，无需程序画出光标的点阵图形，因而耗用主机资源较少，实现起来效果较好。 两种方案简单、明了，容易实现，都已在实验中得到验证。并且，后一种方案已在某一仪表系统中得到成功应用。总体来说，随着嵌入式处理器性能的不断提高，在嵌入设备中接入鼠标，既可灵活使用，也可减少因接入许多按键而占用的口线数，还能使LCD的图形化显示界面更美观、更人性化。