一種用于隔爆設(shè)備的遙控USB鼠標(biāo)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

【摘要】本文針對以嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心的隔爆設(shè)備實(shí)現(xiàn)就地操作困難，成本高，可靠性低等問題，提出了一種以C8051F340單片機(jī)為核心的USB鼠標(biāo)配備紅外遙控器實(shí)現(xiàn)隔爆設(shè)備就地操作的解決方案，并詳細(xì)介紹了該USB鼠標(biāo)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)際應(yīng)用表明，采用該方案設(shè)計(jì)的紅外遙控USB鼠標(biāo)能很好的解決隔爆設(shè)備就地操問題，成本低，簡單可靠，便于安裝，具有很強(qiáng)的推廣意義和實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】紅外遙控;USB鼠標(biāo);C8051F340;單片機(jī)

引言

隨著煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化程度的不斷提高，煤礦井下電子設(shè)備數(shù)量也隨之增加，尤其是井下的系統(tǒng)集控設(shè)備數(shù)量急劇增多，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的現(xiàn)場控制、通信、顯示等功能，此類設(shè)備多以嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，以防爆外殼實(shí)現(xiàn)礦用化功能。然而隔爆設(shè)備有一個(gè)明顯的弊端，就是按鍵少，甚至沒有按鍵，實(shí)現(xiàn)就地操作困難，如果在使用過程中需要輸入數(shù)字或字符等信息，純隔爆設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)，比如配置IP地址、輸入密碼、設(shè)置報(bào)警限定值等，為此有人將輸入鍵盤設(shè)計(jì)成本安型組件或整體設(shè)計(jì)成本安設(shè)備，但并不是所有設(shè)備均能設(shè)計(jì)成本安設(shè)備，并且還會(huì)帶來外殼防護(hù)，成本，持久可靠性等一系列問題，形成嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)向井下移植過程中的一個(gè)障礙。針對這種現(xiàn)象，筆者設(shè)計(jì)了一款既能實(shí)現(xiàn)紅外遙控接收解碼，又具備USB鼠標(biāo)接口功能的電路，將紅外接收的按鍵信息轉(zhuǎn)換成USB鼠標(biāo)動(dòng)作，可以徹底解決這個(gè)問題。

1.遙控USB鼠標(biāo)設(shè)計(jì)方案

目前幾乎所有的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都具備富余USB設(shè)備接口，而且操作系統(tǒng)軟件也集成了鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序，本設(shè)計(jì)正是利用冗余的USB接口實(shí)現(xiàn)信息輸入功能，首先選用帶煤安證的通用紅外遙控器發(fā)射遙控信號，然后用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)紅外接收解碼映射成鼠標(biāo)動(dòng)作，最后通過標(biāo)準(zhǔn)USB V1.1協(xié)議與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。遙控器按鍵示意圖如圖1所示：

圖1 遙控器按鍵示意圖

遙控器按鍵對應(yīng)的鼠標(biāo)動(dòng)作如表1所示：

表1

按鍵名稱 鼠標(biāo)動(dòng)作定義 備注

5 鼠標(biāo)上移 長按表示連續(xù)移動(dòng)

7 鼠標(biāo)左移 同上

9 鼠標(biāo)右移 同上

0 鼠標(biāo)下移 同上

+ 鼠標(biāo)左鍵 連續(xù)按兩次表示雙擊

- 鼠標(biāo)右鍵 雙擊不響應(yīng)

設(shè)置 滾輪上滾

確認(rèn) 滾輪下滾

單片機(jī)選用C8051F340，具備高速8051內(nèi)核和擴(kuò)展的中斷控制系統(tǒng)，有48MIPS和25MIPS兩種版本，I/O端口均可耐5V電壓，48腳TQFP封裝。該芯片自帶USB設(shè)備接口模塊功能，符合USB規(guī)范2.0版本[3]，集成時(shí)鐘恢復(fù)電路和USB收發(fā)器，無需外部晶振以及外部電阻，支持8個(gè)端點(diǎn)，片內(nèi)自帶1KB大小的USB緩存，非常適合本應(yīng)用，目前市面上廉價(jià)的鼠標(biāo)控制芯片均已集成光電輸入，而且非工業(yè)級芯片標(biāo)準(zhǔn)，因此不適合本應(yīng)用。

紅外遙控接收頭采用3.3V標(biāo)準(zhǔn)的HS0038集成解碼器，濾除載波信號，提取按鍵碼信號輸出，單片機(jī)采用中斷方式接收，同時(shí)觸發(fā)一個(gè)專用定時(shí)器對接收的低電平持續(xù)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，0.5毫秒認(rèn)為是“0”，1.5毫秒則認(rèn)為是“1”，連續(xù)接收16個(gè)數(shù)據(jù)位，組成兩個(gè)字節(jié)，前一個(gè)字節(jié)為標(biāo)志碼，后一個(gè)字節(jié)為按鍵信息[2]，在成功接收到按鍵信息后，將此信息直接按動(dòng)作對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換成SUB鼠標(biāo)動(dòng)作信息發(fā)送給嵌入式系統(tǒng)，從而完成系統(tǒng)輸入要求。

2.遙控USB鼠標(biāo)設(shè)計(jì)原理圖（見圖2）

如圖2所示，通過USB接口取電獲得5V電源，然后降壓得到3.3V電源給CPU以及紅外接收頭，紅外接收頭的輸出信號通過外部中斷方式進(jìn)入CPU，USB數(shù)據(jù)接口直接與外部相連，電路極為簡單，器件少而且成本低。

3.軟件設(shè)計(jì)

按照電路硬件設(shè)計(jì)，紅外接收信號會(huì)觸發(fā)中斷，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)專用定時(shí)器對紅外信號進(jìn)行計(jì)時(shí)，在中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)解碼功能，然后將紅外遙控按鍵信息轉(zhuǎn)換成鼠標(biāo)動(dòng)作數(shù)據(jù)，按USB鼠標(biāo)動(dòng)作數(shù)據(jù)幀向外發(fā)發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)功能。其中最關(guān)鍵的USB鼠標(biāo)報(bào)告描述符定義[1]如下：

const hid_report_descriptorHIDREPORTDESC=

{

0x05， 0x01，//Usage Page （Generic Desktop）

0x09， 0x02，//Usage （Mouse）

0xA1， 0x01，//Collection （Application）

0x05， 0x09，//Usage （Pointer）

0x19， 0x01，//Usage Minimum （01）

0x29， 0x03， //Usage Maximum （01）

0x15， 0x00，//Logical Minimum （0）

0x25，0x01，//Logical Maximum （1）

0x95， 0x03，// Report Count （3）

0x75， 0x01，// Report Size （1）

0x81， 0x02，// Input （Data， Variable， Absolute）

0x95， 0x01，// Report Count （1）

0x75， 0x05，// Report Size （5）

0x81， 0x03，/ Input （Constant） for padding

0x05， 0x01，// Usage Page （Generic Desktop）

0x09， 0x01，

0xa1， 0x00，

0x09， 0x30，// Usage （X）

0x09， 0x31，// Usage （Y）

0x15， 0x81，// Logical Minimum （-127）

0x25， 0x7F，// Logical Maximum （127）

0x75， 0x08，//Report Size （8）

0x95， 0x02，//Report Count （3）

0x81， 0x06，//Input （Data， Variable， Relative）

0xC0，

0x09， 0x38，

0x95， 0x01，

0x81， 0x06，

0x09， 0x3c，

0x15， 0x00，

0x25， 0x01，

0x75， 0x01，

0x95， 0x01，

0xb1， 0x22，

0x95， 0x07，

0xb1， 0x01，

0xc0 };

程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示：

圖3 程序設(shè)計(jì)流程圖

4.結(jié)語

由于上述方案設(shè)計(jì)成本低廉，已采用本方案設(shè)計(jì)了一款標(biāo)準(zhǔn)組件，批量應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場，使用效果極好。實(shí)踐證明，這種采用紅外遙控實(shí)現(xiàn)煤礦井下隔爆設(shè)備現(xiàn)場操作的方法安全、穩(wěn)定、可靠，體積小便于安裝，并且不會(huì)對其他任何器件產(chǎn)生不良影響，為煤礦防暴設(shè)備的現(xiàn)場信息輸入提供了一個(gè)全新而且完美的解決方案，具有極為廣泛的實(shí)際指導(dǎo)意義和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]倪陳強(qiáng)，基于C8051F340單片機(jī)的USB HID類設(shè)備設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（18）.

[2]余東峰，通用紅外遙控解碼器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，8.

[3]潘琢金（譯）.C8051F340全速USB FLASH控制器數(shù)據(jù)手冊.深圳：新華龍電子，2006，1.

作者簡介：楊生元（1975—），男，電子設(shè)計(jì)工程師，從事煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)以及煤礦電氣自動(dòng)控制方面的研究。