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介面多採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介面滑鼠,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｡
1 PS/2介面和協議
1.1 介面的物理特性
PS/2介面用於許多現代的滑鼠和鍵盤,由IBM最初開發和使用｡物理上的PS/2介面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電源給滑鼠,滑鼠的地連接到主機電源地上｡
1.2 介面協議原理
PS/2滑鼠介面採用一種雙向同步串列協議｡即每在時鐘線上發一個脈衝,就在數據線上發送一位數據｡在相互傳輸中,主機擁有匯流排控制權,即它可以在任何時候抑制滑鼠的發送｡方法是把時鐘線一直拉低,滑鼠就不能產生時鐘信號和發送數據｡在兩個方向的傳輸中,時鐘信號都是由滑鼠產生,即主機不產生通信時鐘信號｡
如果主機要發送數據,它必須控制滑鼠產生時鐘信號｡方法如下:主機首先下拉時鐘線至少100μs抑制通信,然後再下拉數據線,最後釋放時鐘線｡通過這一時序控制滑鼠產生時鐘信號｡當滑鼠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｡主機和滑鼠之間,傳輸數據幀的時序如圖2､圖3所示｡2.2 數據包結構在主機程序中,利用每個數據位的時鐘脈衝觸發中斷,在中斷常式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,能夠正確控制並接收滑鼠數據｡但該方案有一點不足,由於每個CLOCK都要產生一次中斷,中斷頻繁,需要耗用大量的主機資源｡
2 PS/2滑鼠的工作模式和協議數據包格式
2.1 PS/2滑鼠的四種工作模式
PS/2滑鼠的四種工作模式是:Reset模式,當滑鼠上電或主機發複位命令 0xFF給它時進入這種模式;Stream模式滑鼠的默認模式,當滑鼠上電或複位完成後,自動進入此模式,滑鼠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,滑鼠才進入這種模式;Wrap模式,這種模式只用於測試滑鼠與主機連接是否正確｡
PS/2滑鼠在工作過程中,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｡
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,是二進位補碼值｡Byte4的低四位表示滾輪的移動計量值,也是二進位補碼值,高四位作為擴展符號位｡這種數據包由帶滾輪的三鍵三維滑鼠產生｡若是不帶滾輪的三鍵滑鼠,產生的數據包沒有Byte4 其餘的相同｡
3 設計與實現
3.1 介面設計
因為PS/2滑鼠介面採用雙向同步串列協議,時鐘脈衝信號 以下皆稱CLOCK 總是由滑鼠產生｡因此,可以考慮這種方案:滑鼠的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｡
由於滑鼠與主機之間以雙向同步串列協議傳送數據,若不考慮CLOCK,僅考慮DATA,則其數據幀的時序與單片機的UART非同步串列時序類似｡所以,採用了另一種方案:滑鼠的CLOCK仍舊接主機的外中斷,但滑鼠的DATA接UART的接收腳RxD ｡參照圖4DATA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｡初始化完成後,切換到RxD功能即UART的接收引腳功能｡因為滑鼠已處於Stream模式的工作狀態,這時滑鼠能主動發送數據｡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介面的滑鼠一般工作在10kHz~20kHz時鐘頻率｡不同廠家製造的滑鼠工作的時鐘頻率不同｡嵌入設備主機要做到與不同滑鼠的波特率同步和自適應,才能夠正確接收滑鼠傳送來的數據｡波特率的自適應是這樣實現:滑鼠上電自檢時會產生一串時鐘脈衝,利用滑鼠時鐘脈衝產生的中斷,結合主機的定時器測量時鐘脈衝周期,可以得出所用滑鼠的時鐘頻率,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 軟體實現
軟體實現原理框圖如圖5所示｡
(1)滑鼠初始化
最簡單的初始化就是當滑鼠上電自檢完成後,主機給滑鼠發送一個使能滑鼠數據傳送命令位元組 (0xf4),滑鼠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:複位三次(Snd_CMD(0xff),Snd_CMD(0xff), Snd_CMD(0xff);設置採樣率: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);使能滑鼠數據傳送:Snd_CMD(0xf4)｡滑鼠每收到一個命令位元組都會給出一個應答位元組(0xfa)｡
(2)兩種方案的實現過程
兩種方案的軟體實現過程基本相同｡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,關閉時鐘脈衝中斷和打開串口中斷｡此後主機利用UART的接收功能接收滑鼠數據｡
(3)圖形化人機介面(GUI)的實現
在點陣式LCD顯示屏上實現圖形化的人機介面界面,主要有兩個方面:一個是菜單圖標的實現;另一個是滑鼠游標的實現｡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:voidDraw_ICON(signed int xICON, signed int yICON,unsigned char *pDatICON)｡xICONyICON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游標滑到或點取時才顯現的｡實現滑鼠游標,又分兩種情況｡一種是單層顯示的LCD,只能由程序畫出滑鼠游標｡但是,當游標移動較快時,畫出遊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游標功能的LCD,只需程序控制它的游標移動位置,無需程序畫出遊標的點陣圖形,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｡並且,后一種方案已在某一儀錶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,在嵌入設備中接入滑鼠,既可靈活使用,也可減少因接入許多按鍵而佔用的口線數,還能使LCD的圖形化顯示界面更美觀､更人性化｡
