郭建峰， 王 超， 陳有為

(1.西安郵電大學(xué) 計算機學(xué)院， 陜西 西安 71012； 2.西安郵電大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院， 陜西 西安 710121)

基于RISC的USB指紋鍵盤的實現(xiàn)

郭建峰1,2， 王 超1， 陳有為2

(1.西安郵電大學(xué) 計算機學(xué)院， 陜西 西安 71012； 2.西安郵電大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院， 陜西 西安 710121)

針對普通的104鍵盤無法滿足量化市場的要求，設(shè)計一種具有指紋安全識別功能的18×8的矩陣鍵盤。在USB/HID協(xié)議的規(guī)范下，結(jié)合精簡指令集設(shè)計模式，為YSM246芯片編寫固件程序，并借助KeyTest工具對按鍵進行可視化測試。測試結(jié)果表明,指紋安全解鎖能夠快速準確識別錄入的指紋；新增加的35個按鍵工作性能良好，達到預(yù)期的設(shè)計目標。

矩陣鍵盤；指紋識別；USB/HID協(xié)議；精簡指令集

鍵盤為人機交互提供了溝通的橋梁[1]，隨著行業(yè)的細化，很多時候需要滿足用戶自定義按鍵功能的鍵[2]。在量化交易市場中，交易員一直期望有一款專業(yè)的交易鍵盤能夠為其下單提供第一手快訊，為其技術(shù)面分析決策提供理論依據(jù)，保障其交易快速、準確。目前除了美國的Bloomberg(美國彭博咨詢公司)提供有“彭博專業(yè)服務(wù)系統(tǒng)”包含一款具有特殊按鍵的交易鍵盤外,未見其他類似產(chǎn)品。

鍵盤設(shè)計作為成熟的技術(shù)已經(jīng)被很多學(xué)者研究，文獻[3]詳細全面的闡述了如何搭建USB鍵盤的開發(fā)環(huán)境、設(shè)計流程等;文獻[3-4]對自定義人機交互設(shè)備(Human Interface Device，HID)類鍵盤通信和設(shè)計給出了具體案例。但以上研究實現(xiàn)的鍵盤按鍵數(shù)都比較少，并且不具備可擴展性，安全性也未得到驗證。本文提出具有指紋安全識別功能的18×8的矩陣鍵盤，并對如何建立主機與鍵盤的通信，YSM246芯片的選用，自定義組合鍵的設(shè)計，指紋采集器的實現(xiàn)等做了全面闡述。

1 鍵盤通信協(xié)議

鍵盤是一種HID類設(shè)備[1]，通過USB接口和主機連接。由于操作系統(tǒng)自帶了HID類驅(qū)動程序，因而用戶在開發(fā)設(shè)計USB設(shè)備時可以選擇將其枚舉為HID類，這樣就無需設(shè)計龐大的驅(qū)動程序，只要調(diào)用應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface, API)即可完成通信。其中USB枚舉HID類設(shè)備是通信的第一步，參照HID類固件規(guī)范，鍵盤和主機的通信實質(zhì)是將一系列說明屬性的描述符傳給Host，主機通過這些描述符得到鍵盤的所有信息，然后按照描述符的指令正常工作。HID描述符主要包含5個USB標準描述符：設(shè)備描述符、接口描述符、端點描述符、配置描述符、字符串描述符和3個HID類設(shè)備特定的描述符：HID類描述符、報告描述符、物理描述符[5]。這些描述符本質(zhì)是包含各種信息的一個結(jié)構(gòu)體，它們之間的關(guān)系是一種層疊關(guān)系，最上層是設(shè)備描述符，接下層是配置描述符，再下層是接口描述符，最后層是端點描述符。HID類描述符定義報告描述符和物理描述符的狀態(tài)和大小。報告描述符用于描述設(shè)備產(chǎn)生的每塊報告和報告中數(shù)據(jù)的作用。例如：對于鼠標，報告描述符定義項的位置信息，決定輸入路徑；對于鍵盤，報告描述符根據(jù)按鍵信息允許軟件自定義輸入功能。物理描述符是可選的描述符，用于提供與人體相關(guān)的信息來激活設(shè)備上的控制部分[6]。圖1描述了主機枚舉HID類設(shè)備流程。

圖1 主機枚舉HID類設(shè)備流程

2 芯片及其外圍部件

采用YSM246芯片作為USB設(shè)備的芯片，此芯片基于8bit的精簡指令集(Reduced Instruction Set，RISC)結(jié)構(gòu)的高性能動態(tài)口令(one-line password, OTC)，具有4K×16bits的OTC ROM和256×8bits的直接或間接通用內(nèi)存RAM，可以靈活的配置功能。YSM246的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

各模塊的功能如下。

(1)存儲器單元(Memory):包含所有RAM、ROM和堆棧的可控制寄存器，同時向程序計數(shù)器、操作寄存器和指令解碼器單元提供配置寄存器信息。

(2)精簡指令集單元(RSCI)：運算器和控制寄存器識別存儲器發(fā)來的指令，將指令的請求發(fā)送到中斷控制器、時鐘控制器。操作寄存器連接矩陣鍵盤的接口，提供對接口地址和數(shù)據(jù)的響應(yīng)。

(3)USB串行接口引擎(SIE)：負責銜接USB3.0接口和與操作寄存器通信。

(4)其他：中斷控制器(EPIC)，主要收集外部中斷和內(nèi)部硬件中斷；外設(shè)接口(SPI)，連接指紋識別器還有供電器等。

圖2 YSM246結(jié)構(gòu)及其外圍部件

各單元寄存器地址的分配代碼如表1所示。

表1 各寄存器的地址偏移量的分配情況表

3 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計

基于YSM246主控芯片，通過USB通信控制實現(xiàn)18×8矩陣鍵盤的功能，硬件接口電路如圖3所示。其中J1和J2分別為矩陣鍵盤的列線和行線。YSM246為核心代碼芯片，將調(diào)試好的代碼燒錄到Y(jié)SM246中實現(xiàn)需要的功能。同時還包括指紋采集器、USB接頭、3個指示燈。系統(tǒng)的供電機制為：當系統(tǒng)電壓小于3.6V時和VDD連接，當系統(tǒng)電壓大于3.6V時通過0.1uF的電容和VSS相連。所有的接口均為8位具有低/高雙向的I/O寄存器，其中PE0-PE7為鍵盤的8根行線，PA0-PA7，PD0-PD7，和PB0、PB1為18根列線；PB6和PB7連接指紋識別器的數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端。PC6連接USB串口引擎SIE的D+差分信號，PC7連接D-差分信號。PC0-PC2分別控制CapsLock、NumLock和ScrollLock三個LED信號燈。該設(shè)計實現(xiàn)了輸入按鍵的檢測、指紋信息錄入和對比、USB接口與主機通信以及LED指示燈的控制等工作。

3.2 特殊按鍵的設(shè)計

矩陣鍵盤的設(shè)計思想是為了提高I/O接口的利用率，通過行線和列線的交叉點來確定一個按鍵。如需要16個按鍵，若采用獨立式設(shè)計，則至少需要16個I/O接口，而矩陣式最大需要4個I/O接口，提升接口利用率[7]。18×8的矩陣鍵盤只使用了常用的104個普通按鍵和35個量化交易市場特需的功能按鍵，預(yù)留5個按鍵用于擴展之需。35個特殊的按鍵包含F(xiàn)13到F24股票市場選擇按鍵和交易類型選擇按鍵，如日本市場、美國市場、期權(quán)、期貨、股指等。A系列是交易參數(shù)設(shè)置功能鍵，用于設(shè)置價格、手數(shù)及其浮動單位如+0.5，-0.5等。B系列是交易軟件啟動快捷功能鍵，用于快速啟動系統(tǒng)的某些功能性窗口，如查看新聞動態(tài)、大盤指數(shù)等。C系列是操作類型按鍵，如做空、做多、平倉。T系列為其他的一些輔助按鍵。有了這些特殊按鍵的幫助可以提高證券電子交易效率，實現(xiàn)安全、準確、快捷的下達電子交易指令的功能，幫助交易員實現(xiàn)盈利最大化的目標。F13到F14的設(shè)計和普通104按鍵的原理相同，都只是將這些按鍵的國際標準碼映射到矩陣列表中，因此側(cè)重組合按鍵的設(shè)計。

組合鍵的實現(xiàn)方式需要3個寄存器分別存放組合鍵的每個元素，文件聲明頭寄存器的代碼如下。

圖3 硬件電路的設(shè)計

以A系列A1組合鍵為例說明組合鍵的設(shè)計流程。

(1)設(shè)置A1在矩陣中的位置信息，KSC_KEY_INDEX為指向矩陣列的索引，由R0C0確定的位置為0號索引，按照列的方向遞增， A1為第10個按鍵。

(2)按照文獻[8-9]的標準設(shè)置好位置信息后跳轉(zhuǎn)至KEY_A1代碼段，KEY_A1代碼段主要實現(xiàn)的功能是將數(shù)字1(掃描碼為0xE1)放入寄存器KSC_KEY_ARR3中。

(3)再跳轉(zhuǎn)至KEY_A代碼段。

組合鍵A1的實現(xiàn)代碼如下。

KSC_FUNC_35_KEY:

BTSC KSC_PROC_FLAG,FUNC_KEY

RETURN

MOV A,@10 ;A1

XOR A,KSC_KEY_INDEX

BTSC STATUS,Z

JMP KEY_A1

KEY_A1:

MOV A,@0X1E

MOV KSC_KEY_ARR3,A

JMP KEY_A

KEY_A:

MOV A,@0X13

MOV KSC_KEY_ARR2,A

MOV A,@0X04

MOV KSC_KEY_ARR1,A

JMP KSC_FUNC_35_KEY_END

由于A系列的組合鍵中共有元素a和p，所以KEY_A代碼段主要是將a和p分別存入KSC_KEY_ARR1和KSC_KEY_ARR2中，以便A系列的其他按鍵調(diào)用這段共同代碼，這樣一個組合鍵所需的所有元素都分別放入了不同的寄存器中。然后執(zhí)行KSC_FUN_35_KEY_END代碼段。其他組合鍵的設(shè)計過程同理，不再累述。

3.3 指紋識別器的設(shè)計

鍵盤不僅在104個按鍵的基礎(chǔ)上新增了35個按鍵，而且最大的特點加入了指紋識別器。指紋識別器相當于一把鍵盤鑰匙，只有個人的指紋掃描被驗證后鍵盤才可以使用,為普通的鍵盤新增了生物安全識別技術(shù)。該設(shè)計選用的是體積小、成本低、可以使用USB供電的電容傳感器式的指紋采集器。其架構(gòu)如圖4所示。

圖4 指紋采集器的結(jié)構(gòu)圖

3.3.1 獲取指紋圖像

人體的指紋具有唯一性，即使具有相同的總體特征，局部特征也不可能完全相同。所以在獲取指紋圖像時首先獲取總體特征，再獲取細節(jié)特征，包括指紋類型、方向、坐標、曲率和結(jié)構(gòu)關(guān)系[10]。指紋采集器使用的是串行外圍設(shè)備接口(Serial peripheral interface，SPI)協(xié)議，SPI僅含4根信號線：串行數(shù)據(jù)輸入、串行數(shù)據(jù)輸出、移位時鐘和低電平有效使能。FP_Send_Packet_Head代碼段即實現(xiàn)SPI協(xié)議信號入口地址的設(shè)置。

FP_Send_Packet_Head:

MOV A,@0xEF

CALL UART_Write_Byte

MOV A,@0x01

CALL UART_Write_Byte

MOV A,@0xFF

CALL UART_Write_Byte

MOV A,@0xFF

CALL UART_Write_Byte

MOV A,@0xFF

CALL UART_Write_Byte

MOV A,@0xFF

CALL UART_Write_Byte

RETURN

3.3.2 特征值提取、分類及匹配

提取指紋特征值時也是根據(jù)總體特征和局部特征分步進行的。提取總體特征時僅做10次搜索，F(xiàn)P_Search_Figure_0_9代碼實現(xiàn)局部特征值提取。提取細節(jié)特征時需要更大的搜素范圍，從0到999，以便提取更多的細節(jié)情況，F(xiàn)P_Search_Finger代碼段完成指紋細節(jié)特征的提取。

獲取指紋模塊庫將指紋分類后分別存入Buffer1和Buffer2，將兩個緩存器中合成的指紋特征模板與指紋庫進行比對得出結(jié)果。分別由FP_Get_Templete_Num，F(xiàn)P_Image_To_Buffer1，F(xiàn)P_Image_To_Buffer2和FP_Reg_Model代碼段實現(xiàn)，代碼結(jié)構(gòu)基本一致，在入口處調(diào)用UART_Write_Byte代碼段寫入數(shù)據(jù)。

完成指紋的處理后，需要使用系統(tǒng)時錄入指紋信息。系統(tǒng)會對錄入的指紋和指紋庫中的指紋做出比對，判斷此指紋是否已在指紋庫中。以下是指紋匹配的執(zhí)行代碼。

BTSS FP_PROC_FLAG,FP_CHECK

JMP _DATAOUT_OVER

BTSC FP_PROC_FLAG,FP_CHECK

至此已經(jīng)完成了主要的按鍵和指紋程序。

4 性能測試

按照原理圖接好線路，分別測試按鍵和指紋識別是否達到預(yù)期的要求。指紋識別器相當于一個鍵盤鑰匙，只有輸入的指紋被驗證后鍵盤的按鍵才可以正常使用。

首先測試指紋模塊的性能。指紋采集器有4根連線，分別為電源VCC(+5V)、地GND、發(fā)送端TD和接收端RD。因此TD接主芯片的RD端(即PB6管腳)，RD接主芯片的TD端(即PB7管腳)。指紋采集器支持的是SPI協(xié)議，可以使用USB為其供電。這樣就可以將指紋采集器和主芯片YSM246接通。在完成以上連線工作后，若不錄入指紋，所有的按鍵都不起作用。在第一次輸入指紋時需要按下Ctrl+Shift+A這3個組合鍵，同時用手指按在指紋采集處(長于5s)錄入指紋，發(fā)現(xiàn)3個控制燈會閃兩下，說明指紋錄入成功。這時發(fā)現(xiàn)按鍵可以正常工作，表明指紋識別器達到了預(yù)設(shè)的目的。

借助QT開發(fā)的界面測試工具KeyTest測試按鍵是否可以正常工作，若正常，對應(yīng)的按鍵會在按下時出現(xiàn)閃動。測試結(jié)果表明，所有的按鍵都可以正常工作。

KeyTest工具的界面如圖5所示。

圖5 KeyTest工具的界面

5 結(jié)束語

利用匯編語言借助LT_ICEV162工具為YSM246芯片編寫固件程序，實現(xiàn)了指紋識別啟動鍵盤，增強量化交易系統(tǒng)的安全性，并且為104鍵盤增加了可以由上層軟件自定義功能的35個按鍵。通過利用QT開發(fā)的KeyTest工具對按鍵進行了性能測試，結(jié)果表明已實現(xiàn)預(yù)期的按鍵功能。

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[責任編輯:祝劍]

Design of a fingerprint keyboard based on RSCI

Guo Jeff1,2， WANG Chao1， Chen Youwei1

(1.Shool of Computer Science and Technology, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China;2.School of Economics and Management,Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

Ordinary 104 keyboards cannot meet the security requirement of quantitative trading market. An 18×8 matrix keyboard with the function of fingerprint security identification is proposed in this paper. By combining the USB/HID protocol with Reduced Instruction Set design pattern, a firmware program is written for YSM246 chip, and the visualization test of the key is carried out by using KeyTest tool. Test results show that the fingerprint safe unlocks can quickly and exactly identify input fingerprint, and that the 35 added buttons work well with high performance. Overall the goal of desired design is achieved.

matrix keyboard, fingerprint identification, USB/HID protocol, reduced instruction set

2014-06-24

工業(yè)和信息化部通信軟科學(xué)研究計劃資助項目(2012-R-08-2)

郭建峰(1972-)，男，國家千人計劃，碩士,教授，從事計算金融與風險管理研究。E-mail:goitsys@gmail.com 王超(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)。E-mail:wwwch19@gmail.com

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.01.013

TN919.6

A

2095-6533(2015)01-0064-06