內容摘要：設備智能化改造大趨勢下，嵌入式計算機大量的應用到工控系統中，自定義工控鍵盤的應用也變得越來越廣泛。本文提出一種基于USB HID協議的自定義鍵盤設計，設計簡單功能實用，免驅動自動識別。很好的解決了按需定制鍵盤設備的設計要求，方便了系統上位機軟件編程，貼近工程實踐，應用前景廣闊。

    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。

    圖中J1為USB接口直接與STM32處理器PA11、PA12相連，J3、J4為鍵盤掃描接口，共引出16個IO，最多可掃描8*8矩陣鍵盤即64個按鍵。其余電路為處理器最小系統電路。

    4 軟件設計

    ST公司給我們提供了詳盡的The USB—FS—DevICe library固件庫，固件庫程序結構清晰，主要分為底層和上層兩個部分。

    1)底層結構包括5個文件：usb_core.c(USB總線數據處理的核心文件)，usb_init.c，usb_int.c(用于端點數據輸入輸入中斷處理)，usb_mem.c(用于緩沖區操作)，usb_regs.c(用于寄存器操作)。

    2)上層結構總共5個文件：hw_config.c(用于USB硬件配置)、usb_pwr.c(用于USB連接、斷開操作)、usb_istr.c(直接處理USB中斷)、usb_prop.c(用于上層協議處理，比如HID協議，大容量存儲設備協議)、usb_desc.c(具體設備的相關描述符定義和處理)。

    基于STM32 USB固件庫的主程序設計流程如圖3所示。

    設備初始化所做的工作主要有：初始化時鐘系統、GPIO及相關設備;配置USB所用到的中斷;配置和使能USB時鐘;初始化全局指針。

    進入主程序大循環后，掃描按鍵改動，按鍵有變動，通過SendReport()函數將按鍵狀態發送到USB主機。實際上這里只是將數據寫入IN端點緩沖區，主機的IN令牌包來的時候，SIE負責把它返回給主機。

    5 系統測試與應用

    軟件設計完成后，將程序下載到STM32處理器中，連接計算機USB給處理器上電，在完成設備初始化后，打開計算機設備管理器可以看到鍵盤設備中新增一項HID Keyboard Device(如圖4)，這時鍵盤設備已經作為標準HID設備被計算機識別了。

    接下來要進行的工作要根據鍵盤定制要求，查閱HID用途表文檔，確定工控鍵盤上行列值對應的按鍵代碼，修改函數SendReport()，完成鍵盤定制程序設計。函數SendReport()返回8字節報告暫存在數組Buf[8]中。通過報告描述符的定義及HID用途表文檔，可知Buf[0]的D0是左CTRl鍵，D1是左Shift鍵，D2是左Alt鍵，D3是左GUI(即Window鍵)，D4是右Ctrl，D5是右Shift，D6是右Alt，D7是右GUI鍵。Buf[1]保留，值為0。Buf[2]-Buf[7]為鍵值，最多可以有6個。

6 結論

    在工業控制應用領域，工控鍵盤定制屢見不鮮。本文通過對USB HID設備的研究，提出自定義USB工控鍵盤設計，電路簡單，成本低廉，無需驅動自動識別，具有很高的實用價值和廣闊的應用前景。