【摘要】普通鼠標由于在外殼防護、操作環(huán)境、抗砸耐磨等方面不能很好地滿足工業(yè)控制現(xiàn)場需求而無法在工業(yè)控制中使用，本文設(shè)計了一種基于單片機的按鍵式USB鼠標，能夠滿足工業(yè)控制應(yīng)用。鼠標采用單片機作為控制核心，單片機程序?qū)崿F(xiàn)對按鍵信號的采集、濾波，并將按鍵信號根據(jù)HID協(xié)議轉(zhuǎn)換成標準的USB鼠標信號。

【關(guān)鍵詞】單片機;按鍵;USB;鼠標

引言

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，常常需要用鼠標對控制器進行操作，但普通商業(yè)鼠標由于其以下特性無法滿足某些工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。

外殼防護等級達不到要求。很多工業(yè)現(xiàn)場水汽和粉塵比較大，普通鼠標的左鍵和右鍵沒有特別的防護，水汽進入鼠標內(nèi)會對鼠標本身造成損壞，粉塵進入到按鍵的縫隙會導(dǎo)致操作不靈活。

操作環(huán)境達不到要求。普通鼠標需要一個干凈整齊的操作面，很多工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下很難提供這樣一個操作面，即便單獨設(shè)計一個操作面，粉塵和雜物也需要經(jīng)常清理，若清理不及時，操作不靈活，對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性會造成影響。

抗砸等級達不到要求。很多工業(yè)現(xiàn)場工料、雜物滾落時有發(fā)生，普通鼠標多為塑料外殼，容易損壞。

本文設(shè)計了一種能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場要求的基于單片機的按鍵式USB鼠標，可保證工業(yè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定易用。

1.鼠標操作方式

鼠標操作方式采用全部按鍵操作，左鍵、右鍵跟普通鼠標一樣，采用按鍵操作，光標的移動也采用按鍵操作，用上下左右四個鍵來模擬光標的移動。鼠標按鍵分布如圖1所示。

圖1 按鍵分布

按鍵及基板均采用不銹鋼材質(zhì)，抗砸耐磨。按鍵采用防塵防水設(shè)計，不易損壞。

2.鼠標接口

普通鼠標的接口有兩種方式：PS/2和USB，PS/2是早期的一種接口方式，現(xiàn)在使用更廣泛的是USB接口[1]。為了使設(shè)計的鼠標具有更好的通用性，鼠標采用USB接口。在Windows操作系統(tǒng)下，鼠標必須滿足HID（Human Interface Device）協(xié)議[2]，才能被操作系統(tǒng)識別，這需要軟件設(shè)計來實現(xiàn)。采用單片機實現(xiàn)各個按鍵信號的采集和HID協(xié)議的處理。

電路原理如圖2所示。鼠標上的6個按鍵輸出均為無源常開接點信號，經(jīng)過隔離后單片機可以直接采集。隔離采用光耦隔離技術(shù)，在端口采集的電路中，隔離可有效保護單片機不受外部干擾信號的影響，保證程序的穩(wěn)定運行。在信號采集的程序中，由于單片機的運行周期很短，必須要對信號進行濾波處理，不然會產(chǎn)品信號抖動。本設(shè)計采用的濾波方式是定時計數(shù)濾波方式，每隔一定的時間（如20ms）采集一次信號，如果此次采集的信號跟上次采集的相同，則計數(shù)加1，如果不同，則計數(shù)清零。當計數(shù)達到一定數(shù)值（如10），則認為信號已穩(wěn)定，該信號的狀態(tài)就可以被后續(xù)程序處理。

圖2 電路原理

在單片機的設(shè)計中，看門狗電路的設(shè)計關(guān)乎系統(tǒng)的穩(wěn)定。單片機程序在循環(huán)運行過程中，容易受到外界干擾產(chǎn)生跑飛的現(xiàn)場，看門狗電路就是為了防止程序跑飛設(shè)計的。看門狗電路的原理如下：單片機程序的運行過程中，每隔循環(huán)周期都會向看門狗芯片寫入一個信號，這個信號可以是電平信號，也可以是串行通信信號（如SPI、I2C等），看門狗芯片在一定時間內(nèi)沒有收到這個信號就認定為程序跑飛，然后看門狗芯片向單片機的復(fù)位管腳輸出一個復(fù)位信號，然單片機實現(xiàn)熱復(fù)位，從而實現(xiàn)程序從頭開始運行，確保程序不會產(chǎn)生錯誤。

3.HID協(xié)議實現(xiàn)方法

3.1 HID簡介

HID（Human Interface Device）[3]人機接口設(shè)備類別是Windows最早支持的USB類別。HID設(shè)備是計算機直接與人交互的設(shè)備，例如鍵盤、鼠標和游戲桿等。不過HID設(shè)備不一定要有人機接口，只要符合HID類別規(guī)范，就都是HID設(shè)備。HID設(shè)備可以低速設(shè)備也可以是全速設(shè)備，主要適用于傳輸數(shù)據(jù)量不大、數(shù)據(jù)具有突發(fā)性、無固定傳輸速率的應(yīng)用場所。

3.2 程序設(shè)計

HID設(shè)備的程序設(shè)計的核心是對主機（如計算機）的請求作出響應(yīng)，請求可以控制傳輸請求，也可以使數(shù)據(jù)傳輸請求。軟件開發(fā)的主要工作是編寫USB的中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序首先判斷中斷的類型，然后根據(jù)中斷類型及其他相關(guān)信息，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的協(xié)議處理程序，根據(jù)協(xié)議處理的結(jié)果，完成相應(yīng)的通信。在本設(shè)計中，由于是用上下左右鍵來模擬光標的運行，而在HID協(xié)議中，光標的數(shù)據(jù)應(yīng)該是一個坐標，這就需要程序講上下左右鍵遞增出來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為坐標值。光標的移動速度，不同的應(yīng)用場所、不同的用戶都會有變化，難以統(tǒng)一，為了解決這個問題，這里做了一個通用性的設(shè)計，基本原理如下：用戶按住其中一個鍵，則光標開始向這個方向移動，開始以一個較慢的速度一定，隨著時間的積累，移動的速度越來越快，這樣可以保證用戶操作的準確性和光標移動的效率。在成成設(shè)計中需要對按鍵信號進行定時，不同的時間，坐標的遞增系數(shù)不同。

4.結(jié)語

本文設(shè)計的按鍵式USB鼠標耐磨抗砸，使用壽命長。鼠標采用單片機作為控制核心，單片機程序?qū)崿F(xiàn)對按鍵信號的采集、濾波，并將按鍵信號根據(jù)HID協(xié)議轉(zhuǎn)換成標準的USB鼠標信號。本設(shè)計對于提高控制系統(tǒng)的可操作性和穩(wěn)定性能起到一定的推進作用。

參考文獻

[1]任軍首，汪世林.基于STC89C52單片機的USB鼠標的設(shè)計[J].福建電腦，2011（5）：107-129.

[2]吳曉莉.人機手控操縱原理在鼠標設(shè)計中的應(yīng)用[J].機械設(shè)計與研究，2009（4）：77-79.

[3]王恒升，匡洋，彭宏道.USB HID類設(shè)備小驅(qū)動程序開發(fā)[J].控制工程，2010（6）：815-819.

作者簡介：趙樹有（1982—），男，河北滄州人，工程師。