基于Cortex-M0的USB密碼鍵盤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

密碼鍵盤廣泛地應(yīng)用在金融、電信、會(huì)員卡等很多領(lǐng)域，現(xiàn)在市場(chǎng)的密碼鍵盤主要有三大類接口：PS2、串口和USB。但是隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)通用外圍設(shè)備越來越少地使用串口和PS2接口，這兩種接口正在逐漸從個(gè)人計(jì)算機(jī)特別是便攜式電腦上消失。而現(xiàn)在市場(chǎng)上的很多USB密碼鍵盤往往是采用在原來設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加PS2轉(zhuǎn)USB芯片(HID類)或者UART轉(zhuǎn)USB芯片(CDC類)實(shí)現(xiàn)，這就造成硬件版本不兼容，生產(chǎn)必須有兩個(gè)硬件版本。本方案基于一套硬件結(jié)構(gòu)，通過軟件的升級(jí)方便地實(shí)現(xiàn)HID類和CDC類產(chǎn)品之間的轉(zhuǎn)換。

1 NUC120概述

NUC120系列是Nuvoton公司推出的內(nèi)嵌ARMCortex-M0核的32位微控制器，該系列最高可運(yùn)行至50MHz外部時(shí)鐘，內(nèi)建32 KB／64 KB／128 KB的Flash存儲(chǔ)器和4 KB／8 KB／16 KB的內(nèi)建SRAM；并內(nèi)置定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、RTC、PDMA、UART、SPI／SSP、I2C、I2S、PWM定時(shí)器、GPIO、USB 2．0 FS設(shè)備、12位ADC、模擬比較器、低電壓檢測(cè)和欠壓檢測(cè)功能。

2 USB協(xié)議簡(jiǎn)介

USB通用串行總線不是一種新的總線標(biāo)準(zhǔn)，而是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)，USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB協(xié)議將設(shè)備分為幾大類，每一大類義分為若干子類，分別滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用需求。每一大類都用一個(gè)類型號(hào)標(biāo)識(shí)，如音頻設(shè)備為01，人機(jī)界面設(shè)備為03，海量存儲(chǔ)設(shè)備為08。USB的數(shù)據(jù)傳輸共有4種類型：控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸。在USB標(biāo)準(zhǔn)子類中，本文主要討論兩類子集——HID類和CDC類。

2．1 HID類

HID(Human Interface Device，人機(jī)交互設(shè)備)類是比較大的一個(gè)類，用于控制計(jì)算機(jī)操作的一些方面，如USB鼠標(biāo)、USB鍵盤、USB游戲操縱桿、USB觸摸板、USB軌跡球、電話撥號(hào)設(shè)備、VCR遙控等設(shè)備。另外，使用HID設(shè)備的一個(gè)好處就是，操作系統(tǒng)自帶了HID類的驅(qū)動(dòng)程序，而用戶無(wú)需去開發(fā)很麻煩的驅(qū)動(dòng)程序，只要直接使用API調(diào)用即可完成通信。所以很多簡(jiǎn)單的USB設(shè)備，喜歡枚舉成HID設(shè)備，這樣就可以不用安裝驅(qū)動(dòng)而直接使用。

2．2 CDC類

CDC(Commuuication Devce Class，通信設(shè)備類)類是USB組織定義的一類專門給各種通信設(shè)備(電信通信設(shè)備和中速網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備)使用的USB子類。根據(jù)CDC類所針對(duì)通信設(shè)備的不同，CDC類又被分成以下不同的模型：USB傳統(tǒng)純電話業(yè)務(wù)(POTS)模型、USB ISDN模型和USB網(wǎng)絡(luò)模型。其中，USB傳統(tǒng)純電話業(yè)務(wù)模型又可分為直接線控制模型(Direct Line Control Model)、抽象控制模型(Abstract Control Model)和USB電話模型(USBTelephone Model)。通常一個(gè)CDC類又包括兩個(gè)接口子類——通信接口類(Communication Interface Class)和數(shù)據(jù)接口類(Data Interface Class)。該子類可以實(shí)現(xiàn)虛擬串口通信的協(xié)議。

3 硬件設(shè)計(jì)

3．1 鍵盤設(shè)計(jì)

矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，本方案是用4根I／O線作為行線，3根I／O線作為列線組成行列式鍵盤，鍵盤設(shè)計(jì)方案如圖1所示。在行線和列線的每一個(gè)交叉點(diǎn)上，設(shè)置一個(gè)按鍵。這樣鍵盤中按鍵的個(gè)數(shù)是3×4個(gè)。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能夠有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I／O接口的利用率。NUC120系列每個(gè)I／O接口都可以作為外部中斷輸入腳，在此硬件基礎(chǔ)上，可以采用中斷式或查詢式程序設(shè)計(jì)思路，本方案采用一個(gè)單獨(dú)的定時(shí)器來定時(shí)掃描按鍵。


3．2 USB通信接口設(shè)計(jì)

NUC120系列自帶USB接口，該接口直接采用內(nèi)置USB串行接口引擎(SIE)，而且兼容USB 2．0全速規(guī)格。

其主要特征如下：

◆提供1個(gè)中斷向量和4個(gè)中斷事件(WAKEUP、FLDET、USB和BUS)；
◆支持Control／Bulk／Interrupt／Isochronous傳輸類型；
◆在沒有總線活動(dòng)超過3 ms后支持暫停功能；
◆為可配置的Control／Bulk／Interrupt／Isochronous傳輸類型提供6個(gè)端點(diǎn)和最大512字節(jié)的緩存；
◆提供遠(yuǎn)程喚醒功能。

USB通信接口電路如圖2所示。在D+、D-線上采用100Ω電阻進(jìn)行限流。


4 軟件設(shè)計(jì)

4．1 USB接口程序

Nuvoton公司為NUC120系列CPU提供了所有外設(shè)的驅(qū)動(dòng)庫(kù)函數(shù)，并在USB應(yīng)用方面提供了大量的例程。

本方案的兩套軟件分別參照Smpl_HID和Smpl_VCOM設(shè)計(jì)，大大縮短了開發(fā)時(shí)間。庫(kù)函數(shù)提供的例程如圖3所示。


4．2 鍵盤掃描程序

鍵盤掃描采用定時(shí)器0，設(shè)置定時(shí)器0為每1 ms中斷一次來判斷是否有按鍵。鍵盤掃描程序流程如圖4所示。長(zhǎng)按不連續(xù)輸出，同一個(gè)按鍵，必須按下、抬起才有效。讀者可以根據(jù)自己系統(tǒng)的實(shí)際要求進(jìn)行修改。鍵盤防抖處理可以根據(jù)自己的鍵盤類型來設(shè)置具體的時(shí)間(本方案是10ms)。


結(jié)語(yǔ)

本方案采用基于ARM cortex-M0內(nèi)核的NUC120系列微控制器，并且有很大的擴(kuò)展性，可以方便地連接液晶、語(yǔ)音芯片；由于內(nèi)核主頻最高可達(dá)50 MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)3DES加／解密等對(duì)于8位機(jī)來說較復(fù)雜的運(yùn)算功能，具有很高的性價(jià)比。