基于ARM的遠(yuǎn)程設(shè)備信息自動輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

堵 峰，奚冠巍，呂文發(fā)

(1.海軍駐無錫地區(qū)軍代室，江蘇 無錫 214000;2.中國船舶重工集團(tuán)公司江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006)

遠(yuǎn)程設(shè)備控制技術(shù)指的是通過本地計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)視和控制，如打開、關(guān)閉、添加、刪除遠(yuǎn)程設(shè)備的文件或文件目錄，控制遠(yuǎn)程設(shè)備鼠標(biāo)移動，上傳下載文件，關(guān)閉、重起系統(tǒng)等。本文將采用ARM芯片，模擬鍵盤、鼠標(biāo)來實(shí)現(xiàn)本地計(jì)算機(jī)對遠(yuǎn)程設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)接收遠(yuǎn)程設(shè)備發(fā)送的信息、模擬生成計(jì)算機(jī)主機(jī)可以接收的信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)的模擬鍵入等，使操作遠(yuǎn)程設(shè)備如操作本地計(jì)算機(jī)一樣方便。

1 系統(tǒng)工作原理及總體框架

系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收鍵盤、鼠標(biāo)命令，向計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)鍵盤、鼠標(biāo)正常信息輸入；在外部設(shè)備的控制下自動完成鍵盤、鼠標(biāo)信息傳輸通道切換，并接收外部設(shè)備發(fā)送的指示信息，模擬生成計(jì)算機(jī)主機(jī)可以接收的信息并按照設(shè)計(jì)的時(shí)序發(fā)送至計(jì)算機(jī)主機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備信息中各項(xiàng)參數(shù)的模擬鍵入；實(shí)現(xiàn)參數(shù)鍵入后，及時(shí)將控制權(quán)交還給鍵盤、鼠標(biāo)，恢復(fù)正常操控功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

遠(yuǎn)程設(shè)備信息自動輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作流程如下：

第一步，在未收到遠(yuǎn)程設(shè)備信息時(shí)，模擬器對鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，完成鍵盤、鼠標(biāo)命令信息輸入；

第二步，在需要輸入遠(yuǎn)程設(shè)備信息時(shí)，首先進(jìn)入需要輸入遠(yuǎn)程設(shè)備信息的頁面，在遠(yuǎn)程設(shè)備信息處理設(shè)備上輸入需要發(fā)送的遠(yuǎn)程設(shè)備信息批號，并確認(rèn)發(fā)送；

第三步，遠(yuǎn)程設(shè)備信息處理設(shè)備將遠(yuǎn)程設(shè)備信息的內(nèi)容和需要輸入的位置信息按照規(guī)定的接口協(xié)議發(fā)送給模擬器；

第四步，模擬器在收到遠(yuǎn)程設(shè)備的信息后，自動進(jìn)行鍵盤、鼠標(biāo)信息傳輸通道切換，屏蔽原有鍵盤、鼠標(biāo)傳輸通道，接通模擬鍵盤、鼠標(biāo)通道；

第五步，模擬器首先控制鼠標(biāo)指針移到屏幕左上角位置（0,0）像素點(diǎn)上，然后調(diào)用鼠標(biāo)最優(yōu)移動算法將鼠標(biāo)指針移動到指定位置像素區(qū)域，并模擬單擊指令，選中需要輸入的數(shù)據(jù)；

第六步，模擬器將接收到遠(yuǎn)程設(shè)備信息的鍵盤碼轉(zhuǎn)換成符合專用鍵盤格式的掃描碼數(shù)據(jù)，完成遠(yuǎn)程設(shè)備信息的自動鍵入；

第七步，數(shù)據(jù)輸入完成后，模擬器控制將鍵盤、鼠標(biāo)信息傳輸通道切換回原來狀態(tài)，恢復(fù)鍵盤、鼠標(biāo) 正常操控功能。

圖1 基于的ARM的遠(yuǎn)程設(shè)備信息自動輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程設(shè)備信息自動輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可采用成熟的接口電路技術(shù)，以ARM為主控芯片，結(jié)合串口控制芯片、DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊、繼電器芯片等一些專用接口芯片和外圍電路實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程設(shè)備信息自動輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)邏輯原理圖如圖2所示。

圖2 基于的ARM的遠(yuǎn)程設(shè)備信息自動輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)邏輯原理圖

ARM芯片采用NXP公司的LPC2378[1-2]。該芯片集成了4個(gè)UART串口，兩個(gè)I2C口，兩個(gè)USB主口，片內(nèi)集成了512KB的Flash和38KB的SRAM。

在鍵盤、鼠標(biāo)模擬器中，ARM 作為主控芯片完成遠(yuǎn)程設(shè)備信息的接收和發(fā)送應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)鍵盤、鼠標(biāo)輸入的切換，并把遠(yuǎn)程設(shè)備信息模擬轉(zhuǎn)發(fā)給本地計(jì)算機(jī)。

系統(tǒng)在不通電的情況下，鍵盤輸入和模擬鍵盤輸出直接連通，當(dāng)外部設(shè)備輸入信息后，切換繼電器輸出引腳，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備信息解析并按照PS/2協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給本地計(jì)算機(jī)。信息發(fā)送完畢后，切換繼電器，恢復(fù)鍵盤輸入和模擬鍵盤輸出直接連通狀態(tài)。鍵盤輸入和模擬鍵盤輸出同時(shí)通過繼電器切換和ARM芯片連接，實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

系統(tǒng)在不通電的情況下，鼠標(biāo)輸入和模擬鼠標(biāo)輸出直接連通。當(dāng)外部設(shè)備輸入信息后，切換繼電器輸出引腳，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備信息處理轉(zhuǎn)發(fā)給本地計(jì)算機(jī)。信息發(fā)送完畢后，切換繼電器，恢復(fù)鼠標(biāo)輸入和模擬鼠標(biāo)輸出直接連通狀態(tài)。

遠(yuǎn)程設(shè)備輸入采用RS485協(xié)議，輸入和輸出端完全隔離，控制芯片采用美信公司 MAX1490，在該芯片內(nèi)集成了隔離變壓器方便電路的設(shè)計(jì)。同時(shí)需要采用 TI公司的 SN74ALVC164245DL芯片來實(shí)現(xiàn)雙向5V和3.3V交換，采用該方案后，技術(shù)難度小。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 通用管腳復(fù)用設(shè)置和UART工作方式設(shè)置

因?yàn)锳RM的GPIO引腳是通用的，每個(gè)I/O口的功能至少有兩個(gè)，如RS232發(fā)送串口，需要設(shè)置其為TXD和RXD引腳才能正確工作。管腳功能設(shè)置有管腳功能選擇寄存器PINSELn設(shè)置。配置4個(gè)串口，遠(yuǎn)程設(shè)備占用一個(gè)串口，鼠標(biāo)輸入數(shù)據(jù)占用一個(gè)串口，模擬鼠標(biāo)輸出占用一個(gè)串口，調(diào)試、下載數(shù)據(jù)占用一個(gè)串口，而LPC2378正好4個(gè)串口，所以不需要再擴(kuò)展串口。

管腳復(fù)用設(shè)置寄存器PINSEL0 = 0x4050005A，即設(shè)置P0.0為TXD3口，P0.1為RXD3口，P0.2為TXD0口，P0.3為RXD0口，P0.10為TXD2口，P0.11為RXD1口，P0.15為TXD1口。其中TXD3和RXD3口用于調(diào)試備用口，TXD0口和RXD0口為遠(yuǎn)程設(shè)備信息輸入輸出口，TXD2和RXD2口為模擬器和主機(jī)的通信串口，用于模擬鼠標(biāo)方式向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。TXD1和RXD1為接收鼠標(biāo)的串口數(shù)據(jù)，判斷鼠標(biāo)是否正在移動或按鍵。

設(shè)置U0LCR為0x83，即使能除數(shù)訪問寄存器，禁止間隔發(fā)送，使能奇偶檢驗(yàn)，字長度為8位字符長度，1個(gè)停止位。設(shè)置波特率因子，本系統(tǒng)中，系統(tǒng)晶體頻率為11.0592MHz，由公式

用戶可以對除數(shù)的小數(shù)波特率發(fā)生器不影響UARTn的波特率。即MULVAL為1，DIVADDVAL為0，那么只要求出UnDL就可以了。設(shè)置調(diào)試口的波特率為 9600bps，即 TXD3和 RXD3波特率為9600bps，那么其UnDL為72；遠(yuǎn)程設(shè)備信息占用TXD0和RXD0口，其波特率為19200bps，那么其UnDL為36；鼠標(biāo)發(fā)送接收波特率都為1200bps，那么其UnDL為576,主機(jī)鼠標(biāo)接口UnDL也為576。

設(shè)置好UnDLM和UnDLL后，設(shè)置UnLCR，禁止訪問除數(shù)鎖存。接收和發(fā)送FIFO使能，F(xiàn)IFO只要接收字符就會中斷，并且復(fù)位FIFO，注冊FIFO中斷。

3.2 鍵盤輸入、模擬鍵盤輸出單元

鍵盤輸入輸出采用PS/2[3]協(xié)議，PS/2協(xié)議規(guī)定4根物理線，一根電源線，一根電源地線，兩根雙向信號線，一根時(shí)鐘線，一根數(shù)據(jù)線。

1）鍵盤至主機(jī)格式

圖3 鍵盤至主機(jī)格式

如圖3所示，鍵盤在時(shí)鐘上升沿將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，主機(jī)在下降沿時(shí)將數(shù)據(jù)讀取至主機(jī)，當(dāng)主機(jī)讀取到完整的一幀掃描碼（校驗(yàn)位、起始位、停止位均正確），將時(shí)鐘拉低（時(shí)間約為12個(gè)時(shí)鐘周期）后，再釋放時(shí)鐘，準(zhǔn)備接收下一幀數(shù)據(jù)。

2）主機(jī)至鍵盤格式

圖4 主機(jī)至鍵盤格式

主機(jī)在上升沿時(shí)將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，鍵盤在時(shí)鐘下降沿時(shí)將數(shù)據(jù)讀取，讀取完整的一幀報(bào)文后將數(shù)據(jù)線拉低一個(gè)時(shí)鐘周期后釋放數(shù)據(jù)線。

鍵盤掃描碼有兩種不同的類型：“通碼”和“斷碼”。當(dāng)一個(gè)鍵被按下或按住就發(fā)送通碼；當(dāng)一個(gè)鍵被釋放就發(fā)送斷碼。每個(gè)按鍵被分配了唯一的通碼和斷碼，這樣主機(jī)通過查找唯一的掃描碼就可以測定是哪個(gè)按鍵。每個(gè)鍵一整套的通斷碼組成了“掃描碼集”，有三套標(biāo)準(zhǔn)的掃描碼集分別是第一套、第二套和第三套。所有現(xiàn)代的鍵盤默認(rèn)使用第二套掃描碼。本方案也采用的是第一套掃描碼集。例如，當(dāng)按下鍵盤字符“A”時(shí)，發(fā)送通碼1C，當(dāng)釋放鍵盤字符“A”后，發(fā)送斷碼F0，1C，斷碼的第一個(gè)字節(jié)一般都是F0，所以當(dāng)按下鍵盤字符A然后釋放，發(fā)送的字節(jié)碼是1C，F(xiàn)0，1C。

在系統(tǒng)不開電時(shí)，直接連接鍵盤輸入和模塊鍵盤輸出，一旦遠(yuǎn)程設(shè)備有數(shù)據(jù)輸入且有鍵盤數(shù)據(jù)，此時(shí)檢查鍵盤是否正在輸入，等待鍵盤輸入完成，開始切換繼電器，實(shí)現(xiàn)模擬PS/2協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送。通過模擬鍵盤輸出口輸出到計(jì)算機(jī)主機(jī)。

3.3 鼠標(biāo)輸入、模擬鼠標(biāo)輸出單元

鼠標(biāo)輸入采用的是微軟的串口鼠標(biāo)協(xié)議，傳輸波特率1200BPS、7個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)起始位、2個(gè)停止位、無校驗(yàn)。協(xié)議格式為3個(gè)字節(jié)：第1字節(jié)的6、7位固定為1，4，5位分別為左右鍵狀態(tài)，2、3位為上下移動數(shù)據(jù)的高6、7位，0、1位為左右移動數(shù)據(jù)的高6、7位；第2、第3字節(jié)發(fā)送的低六位是左右上下的其余6位數(shù)據(jù)，其中Y表示上下、X表示左右移動的數(shù)據(jù)位[4]。例如：[0ECH 82H BAH]（P1=ECH,P2=82H,P3=BAH）反饋出鼠標(biāo)向右移動了 2個(gè)單位，向上移動了6個(gè)單位，目前左鍵按下。

鼠標(biāo)數(shù)據(jù)流程為開機(jī)時(shí)主機(jī)通過拉低 DTR線檢測鼠標(biāo)，鼠標(biāo)發(fā)送CD表示鼠標(biāo)存在。在系統(tǒng)不開電是，直連接鼠標(biāo)輸入和模擬模塊輸出，一旦遠(yuǎn)程設(shè)備有數(shù)據(jù)輸入且有鼠標(biāo)數(shù)據(jù)，此時(shí)檢查鼠標(biāo)是否正在輸入，等待鼠標(biāo)輸入完成，開始切換繼電器，實(shí)現(xiàn)模擬RS232協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送。通過模塊串口輸出口輸出到計(jì)算機(jī)主機(jī)。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)在保留原有人工鍵入方式的基礎(chǔ)上，通過遠(yuǎn)程設(shè)備信息輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)建立了加裝的外加設(shè)備與原有設(shè)備之間信息的直接接口交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程設(shè)備信息的自動輸入；信息傳輸時(shí)間小于5s，與人工鍵入方式相比，時(shí)間縮短約3min。在不損失輸入信息的精度、確保信息正確性的同時(shí)，消除了復(fù)雜的人工鍵入環(huán)節(jié)，降低了操作人員的負(fù)擔(dān)和壓力，縮短了系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，滿足了實(shí)際需要，同時(shí)為其它引進(jìn)設(shè)備改裝提供了可借鑒的技術(shù)思路，具有重要的意義。

[1] 周立功,等. 深入淺出 ARM7--LPC2300[M].廣州：廣州致遠(yuǎn)電子有限公司,2008.

[2] NXP.LPC2378 Datasheet[DB/OL].www.nxp.com,2006.

[3] 陳啟美,吳守兵,周洋. 微機(jī)·外設(shè)·接口[M].北京：清華大學(xué)出版社,2002.

[4] 陳志宇,沈建華. 嵌入式設(shè)備鼠標(biāo)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2003.