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嵌入式設備鼠標接口的設計與實現
摘要：分析了ＰＳ／２鼠標的接口和通信協議，介紹了ＰＳ／２鼠標與單片機的接口設計方法，配合點陣ＬＣＤ顯示器，實現了嵌入式設備的圖形化人機接口（ＧＵＩ）。關鍵詞：ＰＳ／２接口 雙向同步串行協議 ＧＵＩ
當前嵌入式系統技術已得到了廣泛應用，但傳統嵌入式系統的人機接口多采用小鍵盤操作的文本菜單方式，用戶操作較為不便。本文介紹了一種利用ＰＳ／２接口鼠標，在點陣ＬＣＤ的單片機系統上實現圖形化用戶界面的方案。用窗口菜單和圖形按鈕取代了傳統的鍵盤操作，具有成本低、效果好等特點，具有很強的實用性。
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１ ＰＳ／２接口和協議
１．１ 接口的物理特性
ＰＳ／２接口用于許多現代的鼠標和鍵盤，由ＩＢＭ最初開發和使用。物理上的ＰＳ／２接口有兩種類型的連接器：５腳的ＤＩＮ和６腳的ｍｉｎｉ－ＤＩＮ。圖１就是兩種連接器的引腳定義。使用中，主機提供＋５Ｖ電源給鼠標，鼠標的地連接到主機電源地上。
１．２ 接口協議原理
ＰＳ／２鼠標接口采用一種雙向同步串行協議。即每在時鐘線上發一個脈沖，就在數據線上發送一位數據。在相互傳輸中，主機擁有總線控制權，即它可以在任何時候抑制鼠標的發送。方法是把時鐘線一直拉低，鼠標就不能產生時鐘信號和發送數據。在兩個方向的傳輸中，時鐘信號都是由鼠標產生，即主機不產生通信時鐘信號。
如果主機要發送數據，它必須控制鼠標產生時鐘信號。方法如下：主機首先下拉時鐘線至少１００μｓ抑制通信，然后再下拉數據線，最后釋放時鐘線。通過這一時序控制鼠標產生時鐘信號。當鼠標檢測到這個時序狀態，會在１０ｍｓ內產生時鐘信號。如圖３中?Ａ?時序段。主機和鼠標之間，傳輸數據幀的時序如圖２、圖３所示。
２ ＰＳ／２鼠標的工作模式和協議數據包格式
２．１ ＰＳ／２鼠標的四種工作模式
ＰＳ／２鼠標的四種工作模式是：Ｒｅｓｅｔ模式，當鼠標上電或主機發復位命令?０ｘＦＦ?給它時進入這種模式；Ｓｔｒｅａｍ模式?鼠標的默認模式，當鼠標上電或復位完成后，自動進入此模式，鼠標基本上以此模式工作；Ｒｅｍｏｔｅ模式，只有在主機發送了模式設置命令?０ｘＦ０?后，鼠標才進入這種模式；Ｗｒａｐ模式，這種模式只用于測試鼠標與主機連接是否正確。
２．２ 數據包結構
ＰＳ／２鼠標在工作過程中，會及時把它的狀態數據發送給主機。發送的數據包格式如表１所示。
表1 鼠標發送的數據包格式
Ｂｙｔｅ１中的Ｂｉｔ０、Ｂｉｔ１、Ｂｉｔ２分別表示左、右、中鍵的狀態，狀態值０表示釋放,１表示按下。Ｂｙｔｅ２和Ｂｙｔｅ３分別表示Ｘ軸和Ｙ軸方向的移動計量值，是二進制補碼值。Ｂｙｔｅ４的低四位表示滾輪的移動計量值，也是二進制補碼值，高四位作為擴展符號位。這種數據包由帶滾輪的三鍵三維鼠標產生。若是不帶滾輪的三鍵鼠標，產生的數據包沒有Ｂｙｔｅ４?其余的相同。
３ 設計與實現
３．１ 接口設計
因為ＰＳ／２鼠標接口采用雙向同步串行協議，時鐘脈沖信號?以下皆稱ＣＬＯＣＫ?總是由鼠標產生。因此，可以考慮這種方案：鼠標的ＣＬＯＣＫ接主機的一外中斷線，數據線?以下皆稱ＤＡＴＡ?接主機的某一Ｉ／Ｏ口線，如圖４所示。
在主機程序中，利用每個數據位的時鐘脈沖觸發中斷，在中斷例程中實現數據位的判斷和接收。在實驗過程中，通過合適的編程，能夠正確控制并接收鼠標數據。但該方案有一點不足，由于每個ＣＬＯＣＫ都要產生一次中斷，中斷頻繁，需要耗用大量的主機資源。
由于鼠標與主機之間以雙向同步串行協議傳送數據，若不考慮ＣＬＯＣＫ，僅考慮ＤＡＴＡ，則其數據幀的時序與單片機的ＵＡＲＴ異步串行時序類似。所以，采用了另一種方案：鼠標的ＣＬＯＣＫ仍舊接主機的外中斷，但鼠標的ＤＡＴＡ接ＵＡＲＴ的接收腳?ＲｘＤ?。參照圖４? ＤＡＴＡ改接ＲｘＤ。在初始化過程中，主機利用ＣＬＯＣＫ的外中斷和ＲｘＤ腳的Ｉ／Ｏ口線功能實現數據的傳輸。初始化完成后，切換到ＲｘＤ功能?即ＵＡＲＴ的接收引腳功能?。因為鼠標已處于Ｓｔｒｅａｍ模式的工作狀態，這時鼠標能主動發送數據。這樣，主機可以在每收到一幀數據時才中斷一次。中斷次數大大降低，減少了主機資源的耗用。
不過，在此方案中，必須實現另一個功能：主機波特率的自適應。因為ＰＳ／２接口的鼠標一般工作在１０ｋＨｚ～２０ｋＨｚ時鐘頻率。不同廠家制造的鼠標工作的時鐘頻率不同。嵌入設備主機要做到與不同鼠標的波特率同步和自適應，才能夠正確接收鼠標傳送來的數據。波特率的自適應是這樣實現：鼠標上電自檢時會產生一串時鐘脈沖，利用鼠標時鐘脈沖產生的中斷，結合主機的定時器測量時鐘脈沖周期，可以得出所用鼠標的時鐘頻率，進而求出波特率。通過設置相應的波特率寄存器，實現了波特率的自適應。
３．２ 軟件實現
軟件實現原理框圖如圖５所示。
(１)鼠標初始化
最簡單的初始化就是當鼠標上電自檢完成后，主機給鼠標發送一個使能鼠標數據傳送命令字節(０ｘｆ４)，鼠標就會在默認設置狀態下工作。主機也可實現自定義初始化，如：復位三次(Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆｆ),Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆｆ),Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆｆ)；設置采樣率：Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆ３),Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘ０ａ)；設置解析度(２點／毫米)：Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｅ８),Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘ０１)；設置縮放比例(１:１):Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｅ６)；使能鼠標數據傳送:Ｓｎｄ＿ＣＭＤ(０ｘｆ４)。鼠標每收到一個命令字節都會給出一個應答字節(０ｘｆａ)。
(２)兩種方案的實現過程
兩種方案的軟件實現過程基本相同。只是后一種方案中，初始化時還要實現主機波特率的自適應，關閉時鐘脈沖中斷和打開串口中斷。此后主機利用ＵＡＲＴ的接收功能接收鼠標數據。
(３)圖形化人機接口(ＧＵＩ)的實現
在點陣式ＬＣＤ顯示屏上實現圖形化的人機接口界面，主要有兩個方面：一個是菜單圖標的實現；另一個是鼠標光標的實現。實現菜單圖標，顯示屏一般工作在圖形顯示模式。菜單圖標有正常顯示狀態和反顯狀態，它們都用函數實現：ｖｏｉｄ Ｄｒａｗ＿ＩＣＯＮ(ｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｘＩＣＯＮ, ｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｙＩＣＯＮ,ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ *ｐＤａｔＩＣＯＮ)。ｘＩＣＯＮ?ｙＩＣＯＮ是圖標所在位置的左上角坐標值，ｐＤａｔＩＣＯＮ是各個圖標及其不同顯示狀態的點陣碼值。反顯狀態是當圖標被光標滑到或點取時才顯現的。實現鼠標光標，又分兩種情況。一種是單層顯示的ＬＣＤ，只能由程序畫出鼠標光標。但是，當光標移動較快時，畫出光標的點陣圖形需要耗用較多的主機資源。另一種是有雙層顯示和光標功能的ＬＣＤ，只需程序控制它的光標移動位置，無需程序畫出光標的點陣圖形，因而耗用主機資源較少，實現起來效果較好。
兩種方案簡單、明了，容易實現，都已在實驗中得到驗證。并且，后一種方案已在某一儀表系統中得到成功應用。總體來說，隨著嵌入式處理器性能的不斷提高，在嵌入設備中接入鼠標，既可靈活使用，也可減少因接入許多按鍵而占用的口線數，還能使ＬＣＤ的圖形化顯示界面更美觀、更人性化。
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