官茂

（湖南興天電子科技有限公司技術(shù)中心，湖南 長沙 410006）

目前，人們在計算機上使用的人機接口設(shè)備，如鼠標、鍵盤等，大部分都是USB 接口，但PS/2接口因其傳輸距離相對更長，在某些特定領(lǐng)域仍被使用。例如，支持PS/2 接口的嵌入式軌跡球（以下簡稱軌跡球）是一種特殊的鼠標，是使用光學(xué)感應(yīng)元器件和其原理制造的能管控屏幕或光標的人機接口設(shè)備，可在一定程度上讓使用人手腕的疲勞感降低，同時具有定位精準、手感較好的優(yōu)點，所以在工業(yè)控制和軍用設(shè)備中仍被廣泛使用。

目前，市面上一部分軌跡球僅能支持PS/2或USB 接口的工作模式。在此基礎(chǔ)上，文章采用Cypress 公司的enCoRe? Ⅱ系列USB 控制器CY7C63813-SXC 作為核心器件（enCoRe? ⅡLow Speed USB Peripheral Controller）［1］，使用C 語言編程，設(shè)計了一款在USB 和PS/2 接口模式下都能工作的軌跡球。 此軌跡球在CY4623例程（CY4623 是Cypress 公司提供的鼠標參考設(shè)計樣例）的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了自動識別PS/2 接口和USB 接口的算法，采集軌跡球球體在X軸、Y軸方向的移動量的算法及通過撥碼開關(guān)切換X軸、Y軸及其正方向的算法。

1 嵌入式軌跡球工作原理

自動識別USB 和PS/2 接口的軌跡球主要由主控制電路（含CY7C63813 芯片）、光耦（包括X軸、Y軸、Z軸，其中Z軸光耦是預(yù)留設(shè)計，文章沒有使用）、按鍵（L、M、R，即左鍵、中鍵、右鍵）、PS/2 接口連接器、USB 接口連接器等組成。

光耦作為產(chǎn)生、探測、接收紅外光線，并將紅外光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件，先接收球體在X軸、Y軸方向的轉(zhuǎn)動位移量，再將此位移量轉(zhuǎn)換為電信號傳送給CY7C63813 芯片，CY7C63813芯片經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理后，通過PS/2 或USB 協(xié)議通信模塊轉(zhuǎn)換為相應(yīng)協(xié)議信號，再通過相應(yīng)的接口連接器傳送到上位機的相應(yīng)接口。 球體在X軸、Y軸方向的轉(zhuǎn)動位移量通過USB 接口或PS/2接口傳送給上位機后，就可實現(xiàn)控制光標在屏幕上按照軌跡球球體轉(zhuǎn)動而移動的人機接口設(shè)備功能。

2 硬件電路設(shè)計

CY7C63813-SXC 控制器是基于enCoRe? Ⅱ內(nèi)核的8 位哈佛架構(gòu)微控制器，主頻可達到24MHz，內(nèi)部集成有晶體振蕩器、3.3V 電源調(diào)整器和8KB 的FLASH 存儲器等，芯片不需其他外部器件就可配置成USB 或PS/2 模式。CY7C63813 芯片集成了很多功能模塊，減少了其所需的周邊器件數(shù)量，降低了成本及應(yīng)用復(fù)雜度，并且其指令集針對PS/2 及USB 操作也進行了優(yōu)化。

CY7C63813 芯片接收的是數(shù)字信號，根據(jù)圖1 的硬件平臺組成可知，光耦將球體在X軸、Y軸方向上的移動信號轉(zhuǎn)換為電信號后，傳送給主控制電路（其中的微控制單元MCU 就是CY7C63813 芯片）。但光耦轉(zhuǎn)換后的電信號并不是標準的數(shù)字信號，而是類似正弦波的模擬信號，此信號若直接傳送給CY7C63813 芯片，將難以被識別，需先將其整形為標準數(shù)字信號。文章采用施密特觸發(fā)反相器74HCT14D（以下簡稱74HCT14D），先將光耦轉(zhuǎn)換后的電信號整形為標準數(shù)字信號，再向CY7C63813 芯片發(fā)送。74HCT14D 是恩智浦半導(dǎo)體公司的一款用于波形和脈沖整形的芯片，具有施密特觸發(fā)動作和六反相緩沖器，能將緩慢變化的輸入信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定無抖動的輸出信號［2］。

圖1 硬件平臺組成

軌跡球球體轉(zhuǎn)動時，帶動光柵切割光耦（X軸、Y軸方向各有一個光耦，目前使用較多的光耦是美國威世公司的TCUT1300X01［3］）的紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外光線，光耦上的兩個光電晶體管探測器根據(jù)接收的紅外光線先后順序（根據(jù)先后順序的不同，可知光柵是順時針切割光線還是逆時針切割光線，即可知光柵也就是球體的移動方向）產(chǎn)生相應(yīng)的電信號波形，并傳送給74HCT14D，經(jīng)過波形整形后，再傳送給MCU，MCU 對數(shù)據(jù)進行處理分析（即判斷出球體在相應(yīng)軸向上的移動量及方向）后，再通過相應(yīng)連接的主機接口將數(shù)據(jù)傳送給主機等。

3 固件程序設(shè)計

文章采用PSoC（Programmable System on Chip）芯片開發(fā)工具編制程序（PSoC Designer）［4］。PSoC芯片是一種將微控制器、邏輯電路等模塊進行集成（集于一芯片上），并構(gòu)建成一個具備信號采集及I/O處理等功能的可編程型系統(tǒng)。PSoC Designer 是用于PSoC 芯片開發(fā)的工具，也是由Cypress 公司開發(fā)的，該工具支持C 語言等數(shù)種編程語言，是一款按模塊化方式進行程序設(shè)計開發(fā)的工具。該工具內(nèi)含各種已設(shè)計好的程序模塊，使用時，只要調(diào)用相應(yīng)的程序用戶模塊集成到主程序中，就可進行程序設(shè)計了。

3.1 CY4623 例程及程序模塊引用分析

試驗安裝的PSoC Designer 是5.4 版，固件設(shè)計是以CY4623 例程［5］為基礎(chǔ)，增加并實現(xiàn)其他所需功能的算法程序代碼而完成的。用戶先下載并打開CY4623 例程，加載MSTIMER、PITIMER12、SPIM、PS2D、USB 五個用戶模塊，加載用戶模塊的同時，其會將程序代碼、寄存器、定時器等模塊所需的參數(shù)自動設(shè)置好，用戶只需調(diào)用已有的函數(shù)等便可實現(xiàn)相關(guān)開發(fā)。

（1）MSTIMER 用戶模塊：這是一個定時器（1ms 間隔的）用戶模塊，主要是給USB 用戶模塊進行USB 掛起處理、HID 報告閑置時使用。

（2）PITIMER12 用戶模塊：這是一個12 位的可編程的計數(shù)寄存器用戶模塊，該模塊最高能達到24MHz 的源時鐘頻率，可實現(xiàn)計數(shù)值的自動重新載入功能。

（3）SPIM 用戶模塊：這是將CY7C63813 芯片作為SPI 串行通信中的主設(shè)備的用戶模塊，用于SPI 串行通信。因為參照CY4623 例程實現(xiàn)的是光電鼠標設(shè)計，Cypress 公司的主控IC 需要與光學(xué)感應(yīng)器進行SPI 串行通信，因此要用到此用戶模塊。而自動識別USB 和PS/2 接口軌跡球則無須進行SPI 串行通信，其是將SPI 串行通信的相應(yīng)針腳當作GPIO 接口來使用。但為了給后續(xù)設(shè)計光電鼠標等其他產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)，文章仍然保留了CY4623 例程中的SPIM 用戶模塊和其程序代碼。

（4）PS2D 用戶模塊：這是PS/2 設(shè)備的協(xié)議用戶模塊，要將CY7C63813 芯片作為PS/2 鼠標來使用，就必須調(diào)用此模塊。其內(nèi)部已建立好完整并經(jīng)過充分驗證的PS/2 鼠標協(xié)議和命令集，且其集成了USB SIE（串行接口引擎），可配合USB用戶模塊實現(xiàn)自動識別USB 和PS/2 應(yīng)用程序的功能。

（5）USB 用戶模塊：這是USB 接口所需，要讓CY7C63813 芯片具有USB 鼠標接口，就必須采用此模塊。其內(nèi)部已建立好完整且經(jīng)過充分驗證的USB 協(xié)議和命令集，為控制端點建立好了符合USB 協(xié)議的底層驅(qū)動程序，能對主機發(fā)出的請求進行解碼及分配，支持 USB HID。并且可采用該模塊的USB 設(shè)置向?qū)ВO(shè)置USB 描述符等參數(shù)，以生成符合要求的USB 程序代碼。當然，使用者需要具備USB 相關(guān)的基本知識，以便更好地進行自動識別USB 和PS/2 接口軌跡球的程序設(shè)計。

以上五個模塊就是進行自動識別USB 和PS/2 接口軌跡球的程序設(shè)計需要用到的PSoC Designer 自帶的用戶模塊，用戶將以上模塊進行加載并設(shè)置好后，就建好了軟件開發(fā)基礎(chǔ)平臺。

3.2 CY4623 例程修改分析

CY4623 例程主要有以下三方面不滿足自動識別USB 和PS/2 接口軌跡球的功能需求，使用者需要修改和增加相應(yīng)的程序代碼。

（1）自動識別USB 和PS/2 接口軌跡球要求能自動識別連接的接口類型，并能按照連接的相應(yīng)接口，將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)相應(yīng)的通信功能，而CY4623 例程缺少此自動識別的程序代碼。

（2）CY4623 例程實現(xiàn)的是光電鼠標設(shè)計，但自動識別USB 和PS/2 接口軌跡球是要求識別球體在X軸、Y軸方向上的轉(zhuǎn)動信息，以此實現(xiàn)控制光標移動的功能。

（3）因為不同加固軌跡球項目的結(jié)構(gòu)安裝要求可能不同，自動識別USB 和PS/2 接口軌跡球的安裝方向也不會只有一個，如圖2 所示，在四個安裝方向下，都必須保證球體向上（或向下）移動時，能控制光標向Y軸正方向（或負方向）移動（球體向左或向右移動同此理），必須滿足X軸、Y軸及其正方向可互換的要求。采用撥動撥碼開關(guān)的方式，可調(diào)節(jié)X軸、Y軸及其正方向。但CY4623 例程不具備此功能。

圖2 軌跡球安裝方向示意（視角為從頂部觀看）

3.3 算法的具體實現(xiàn)分析

為了實現(xiàn)以上功能，文章研究相關(guān)算法，并根據(jù)其算法編制相應(yīng)的程序代碼，主要有PS/2 接口和USB 接口的自動偵測算法，球體轉(zhuǎn)動控制光標移動算法，X軸、Y軸及其正方向可互換功能的算法。

自動識別USB 和PS/2 接口軌跡球基本功能的程序如圖3 所示，這也是軟件的程序流程圖。

圖3 自動識別USB 和PS/2 接口軌跡球基本功能

3.3.1 PS/2 接口和USB 接口的自動偵測算法及程序?qū)崿F(xiàn)

試驗通過深入研究PS/2 協(xié)議、USB 協(xié)議（尤其是USB HID 相關(guān)部分），并參考相關(guān)文獻資料發(fā)現(xiàn)，PS/2 設(shè)備在上電后500ms 左右，才向主機發(fā)送BAT自檢成功代碼“0xAA”。因此，程序完全可以利用PS/2 設(shè)備發(fā)送BAT 成功代碼之前的500ms 左右的時間，檢測其連接的是主機的PS/2 接口，還是USB 接口。PS/2 接口的時鐘信號（CLOCK）和數(shù)據(jù)信號（DATA）通常是高電平信號，而USB 接口的DATA+和DATA-信號則是高速差分信號。以此為基礎(chǔ)設(shè)計PS/2 接口和USB 接口的自動偵測算法，算法流程見圖4。

圖4 PS/2 接口和USB 接口的自動偵測算法程序

（a）軌跡球上電后，延時50ms。程序代碼：

timer_delay_msec（50）；//延時50ms。

（b）在2ms 的時間內(nèi)反復(fù)偵測DATA-（即DATA）和DATA+（即CLOCK）的電平，如果有連續(xù)4 次高電平（DATA-或DATA+），就是PS/2 接口，否則進入步驟（c）。程序代碼：

INT8 samples = 4；//一個整數(shù)型［6］samples，數(shù)值為4。

while（temp1 ！= b1mscounter）

{if（（PS2_PORT&PS2_PORT_BITS）&&（!--samples））

return（0）；}//如果有連續(xù)4 次高電平，就返回0，判定為PS/2 接口。

（c）先通過設(shè)置CY7C63813 芯片的寄存器，打開USB 上拉電阻，再延時250μs，頻繁偵測DATA-和DATA+的電平，直到其中有一個出現(xiàn)高電平。若DATA+是高電平，便是PS/2 接口；若DATA-是高電平，便進入步驟（d）。程序代碼：

USBXCR=USBXCR_ENABLE；//開啟上拉

time_delays_100_usec（）；time_delays_100_usec（）；timer_delay_10_usec（）；timer_delay_10_usec（）；timer_delay_10_usec（）；timer_delay_10_usec（）；timer_delay_10_usec（）；

//通過調(diào)用多個延時函數(shù)，湊成延時250μs。

if（ b1msflags & ONE_MSEC_FLAG ）//采用if語句反復(fù)偵測DATA-和DATA+的電平，直到其中有一個信號出現(xiàn)高電平。無論哪個是高電平，都退出此if 語句。

（d）通過設(shè)置CY7C63813 的寄存器，關(guān)閉USB上拉電阻，再延時100μs，若DATA- 和DATA+都為低電平，就不是PS/2 接口，只能是USB 接口，反之亦然。程序代碼：

USBXC = 0x00；//關(guān)閉上拉

time_delays_100_usec（）；//延時100μs。

return（?。≒S2_PORT & PS2_PORT_BITS））；//CLOCK、DATA 所在的CY7C63813 的P1 端口的bit0（第0 位）、bit1（第1 位），分別與1 進行與操作（即與0x03 進行與操作），判斷這兩位是否為高電平，根據(jù)判斷結(jié)果，返回相應(yīng)的數(shù)值。

仔細測算實現(xiàn)以上算法的程序代碼的運行所需時間，發(fā)現(xiàn)其小于500ms，符合PS/2 協(xié)議要求。以上算法的步驟（c）、步驟（d）中，延時的時間主要是配置寄存器后為使硬件運行穩(wěn)定所需要的時間，與USB 協(xié)議、PS/2 協(xié)議都不沖突。

3.3.2 球體轉(zhuǎn)動控制光標移動算法及程序?qū)崿F(xiàn)

因為CY4623 例程與軌跡球通過球體轉(zhuǎn)動控制光標移動的實現(xiàn)方式不同，研究認為可采用以下算法實現(xiàn)管控光標的目的，程序流程見圖5。

圖5 球體轉(zhuǎn)動控制光標移動程序

（a）每1ms 讀取一次X軸、Y軸兩個光耦所在的I/O 口，并將結(jié)果放入一個有16 個元素的數(shù)組（bOpticsArray［16］）中。程序代碼：

char bOpticsArray［16］；//字符［7］數(shù)組有16個元素。

（b）讀取bOpticsArray［16］中的元素，并進行比較運算，轉(zhuǎn)換為光標沿X軸、Y軸移動的增減量，從而實現(xiàn)球體轉(zhuǎn)動控制光標移動的功能。程序代碼：

void ProcessOptics（void）//此函數(shù)內(nèi)的程序代碼將數(shù)組中的元素按順序?qū)Ρ葦?shù)值。

3.3.3X軸、Y軸及其正方向可互換功能的算法及程序?qū)崿F(xiàn)

因為該自動識別USB 和PS/2 接口軌跡球?qū)粦?yīng)用到不同項目中，但不同項目的結(jié)構(gòu)安裝要求可能不同，軌跡球的安裝方向也不能唯一，可采用撥動撥碼開關(guān)來調(diào)節(jié)X軸、Y軸及其正方向的方式實現(xiàn)此要求，此兩針腳分別為高電平或低電平，可實現(xiàn)四種組合方式，滿足模塊不同安裝要求。文章經(jīng)過研究，認為可采用讀取球體轉(zhuǎn)動控制光標移動算法及程序?qū)崿F(xiàn)中的數(shù)據(jù)字節(jié)函數(shù)，并在此函數(shù)中，將X軸、Y軸數(shù)據(jù)的位置對調(diào)或數(shù)值取負值，實現(xiàn)X軸、Y軸及其正方向的相互轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)X軸、Y軸及其正方向可互換功能。 程序代碼：

BOOL optical_get_report（OPTICAL_REPORT*report）；//定義一個指針型結(jié)構(gòu)變量，實現(xiàn)X軸、Y軸及其正方向可互換的功能［8］。

4 試驗與驗證

文章將設(shè)計出的嵌入式軌跡球完成硬件調(diào)試和固件程序的編譯下載后，進行功能性能測驗。當軌跡球被初次插入計算機USB 接口后，計算機右下方會彈出發(fā)現(xiàn)新硬件提示，且在設(shè)備管理器中可看到該USB 設(shè)備的基本信息；當設(shè)備被插入計算機PS/2 接口后，重新啟動計算機系統(tǒng)，在設(shè)備管理器中會看到一個PS/2 Mouse 圖標。在這兩種模式下進行測試，軌跡球能實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信，光標移動靈活，左中右按鍵功能正常。測試其信號波形，發(fā)現(xiàn)無論是PS/2 接口，還是USB 接口，信號波形都較穩(wěn)定，且毛刺較少，沒有失真。

文章中的自研軌跡球，已用于龍芯、飛騰、Intel 至強及x86 等多種平臺的產(chǎn)品中，并配套過中標麒麟、Linux、Windows Server、Windows 10/7/xp等多款操作系統(tǒng)，以及這些平臺的USB、PS/2 接口，運行情況良好，沒有出現(xiàn)過故障或兼容性問題。并通過了以下環(huán)境試驗的驗證，運行情況良好，工作正常：

（1）低溫貯存：-55℃保溫24h，恢復(fù)常溫4h 后檢測，溫變率≤3℃/min；

（2）低溫工作：-40℃保溫4h，工作運行2h，溫變率≤3℃/min；

（3）高溫貯存：70℃保溫48h，恢復(fù)常溫4h后檢測，溫變率≤3℃/min；

（4）高溫工作：60℃保溫4h，工作運行2h，溫變率≤3℃/min。

5 結(jié)語

文章設(shè)計的基于CY7C63813-SXC 控制器的自動識別USB 和PS/2 接口軌跡球研制測試完成后，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，已投入生產(chǎn)并交付多個批次，可以在 USB 和PS/2 接口模式下自適應(yīng)工作，可以任意調(diào)節(jié)軌跡球的安裝方向，滿足不同應(yīng)用場景下的使用要求，也驗證了采用PSoC 芯片開發(fā)計算機周邊設(shè)備的可行性。