基于HID协议的工控自定义键盘接口设计

随着智能化工控设备的推广，越来越多的工控设备采用嵌入式计算机作为其控制核心。以嵌入式计算机系统为平台进行产品开发，需要进行控制单元硬件和用户应用软件设计。在应用软件设计环节，不可避免的需要用到人机交互设备，以完成操作人员对计算机系统的控制，工控键盘作为最常用的一类输入设备，进入了我们的视线。

工控键盘区别与标准键盘，它所有按键是为满足特定产品需求而设计，常用接口有PS/2和USB。USB设备具有支持热插拔和桢采集速率高等优点，正逐步取代原来的PS/2设备，成为市场的主流。本文主要介绍一种USB接口的自定义工控键盘的设计，解决智能化数控设备中键盘定制的问题。

1 USB BID简介

USB接口是一种即插即用型的串行总线通信端口，广泛应用于各类计算机系统。HID类设备属于人机交互操作的设备，是USB设备中比较大的一个类，用于控制计算机操作，如USB鼠标，USB键盘等设备。操作系统自带了HID类的驱动程序，免去了驱动程序的编写，因此一些简单的USB设备，喜欢枚举成HID设备，方便了设计也方便了使用。

所有HID设备通过USB的控制管道(默认管道，即端点0)和中断管道与主机通信。控制管道主要用于：接收USB主机的控制请示及相关的类数据;在USB主机查询时传输数据;接收USB主机的数据。中断管道主要用于：USB主机接收USB设备的异步传输数据;USB主机发送有实时性要求的数据给USB设备。

要让计算机将一个HID设备识别为键盘设备，要完成的主要工作是修改HID设备的描述符。HID设备的描述符主要包括5个USB的标准描述符(设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符)和3个HID设备类特定描述符(HID描述符、报告描述符、实体描述符)。修改描述符可以将HID设备枚举为鼠标、键盘及其他HID设备。

2 系统方案设计

USB自定义工控键盘从系统构成上看主要分为键盘部分设计和USB接口设计两部分。系统组成框图如图1所示。

其中键盘扫描部分软硬件设计根据具体键盘定制要求，预留足够的I/O，设计方案大致相同。USB接口部分，目前微处理器实现USB通信的方案比较多，主要有以下3种：1)单片机+PDIUSBD12芯片结构;2)采用Cypress公司的集成了USB2.0协议的微处理器CY7C68013A芯片;3)选用基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器。3种方案各有优势，单片机+PDIUSBD12芯片结构，设计简单，成本低廉;采用CY7C68013A芯片，集成度高，自带协议开发方便;选用STM32系列处理器，电路简单、性能优异、扩展性强、有丰富的固件资源，方便开发。

作为新一代32位处理器STM32系列，性能提升是显而易见的，价格也比较合理，性价比非常高，有很广阔的应用前景。因此，这里构建USB工控键盘硬件平台采用STM32F103C8T6处理芯片。

3 硬件设计

STM32F103C8T6是中等容量的STM32产品，它基于ARM的Cortex-M3内核，具有64K片上闪存，LOFP-48封装，USB接口及丰富的其他外设接口。使用STM32F103C8T6设计USB通信接口，电路简单，性能稳定，电路原理图如图2所示。