LazyBoard双轨迹球一体式键盘设计方案

中

小	高
触摸板键盘	中	高	中	中	高
小红点键盘	中	高	高	小	低
单轨迹球键盘	中	高	中	小	低
双轨迹球键盘	高	高	高	小	高

LazyBoard既拥有概念上的新颖性，又具备操作上的实用性，因而极具实现价值。若能将其投入到日常生活中，必将是对传统输入设备与输入模式的颠覆性革新。

二 功能需求和实现方案

2.1 功能需求

承前所述，LazyBoard双轨迹球一体式键盘首先应包含键盘和鼠标的完整功能，即字符输入、指针移动、左右键和滚轮等功能。具体地，字符输入由键盘部分实现，单独滚动一个轨迹球时实现指针移动功能，单独按下左或右轨迹球时分别实现左右键按下的功能，两个轨迹球同时向上或下滚动则实现滚轮功能。

其次，LazyBoard双轨迹球一体式键盘还能实现一系列的鼠标手势。两个轨迹球同时向外侧或内侧滚动时，实现放大或缩小。单侧或双侧轨迹球来回摇动或转动的手势，将实现如打开资源管理器等的操作。

双轨迹球一体式的设计既能应用于一般的PC外设键盘，也能应用在笔记本键盘上。我们实现的功能Demo版属于前者，是一个支持即插即用的USB HID（Human Interface Devices）设备。具体性能参数如下：

键盘标准： 标准104键盘

接口方式： USB

即插即用： 支持

鼠标工作方式： 双轨迹球

鼠标分辨率： 8 dot/mm

鼠标最大采样率： 200 sample/s

鼠标按键： 左键/右键

轨迹球直径： 16mm

人体工学： 是

2.2 实现方案

2.2.1 系统硬件结构

系统硬件开发基于EVK1100开发板，所使用的板上资源包括核心芯片AT32UC3A0512，USB通信模块和电源模块。系统通过USB接口与上游PC连接，并由USB上的电源线供电。通过GPIO模拟的PS/2接口，系统与下游的两个轨迹球和一个标准104键盘连接，并且为它们供电。硬件结构框图如图2.1所示。

所使用的两个轨迹球为深圳万臣科技提供的JS16轨迹球，经过改造后增加了按键功能。键盘与轨迹球均采用PS/2协议。

双轨迹球键盘系统硬件结构

2.2.2 系统软件架构

（1）整体架构

软件的整体架构可以分为三层：驱动层（Driver Layer）、中间层(Middle Layer)和联络层 (Association Layer)，如图2.2所示。驱动层包括PS/2驱动（PS/2 Driver）和USB驱动 (USB Driver)，负责两种通讯协议下一个或一串字节的发送和接收。中间层实现两项功能：对下游的PS/2数据包进行解析，得到键盘的键值，以及轨迹球的移动量和按键状态；上游方面，则以USB通信为基础建立起HID协议。联络层的主要任务则是综合两个轨迹球当前时刻的动作以及最近0.5s的动作历史，识别鼠标的动作和手势，转译为HID报文，并启动其发送。

以下就设计中的一些关键点做进一步分析。

双轨迹球键盘系统软件架构

（2）PS/2驱动层设计要点

完成初始化后，PS/2通信主要是从设备到主机（Device to Host）的通信，其时序图如图2.3所示。时钟由设备提供，频率范围在5k~30kHz，下降沿时数据有效。一个数据帧由11bit组成，包含1个起始位、1个停止位、1位奇校验和8位数据。若干帧（字节）构成一个数据包，速率一般为几十~几百包每秒。

PS/2通信时序

每一位数据在主机中产生一个GPIO中断。通过位计数和字节计数实现帧同步。为了保证鲁棒性，我们加入了类似于"看门狗"的机制。PS/2通信中，帧间的间隔与帧内两位之间的间隔相同，一般不超过200us，而数据包之间则一般有ms级的间隔。因此，每接收1bit（数据包最后一帧的停止位除外），将定时器重置为0.5ms并重新开始计时（"喂狗"）；如果在规定的时间内没有再次将定时器重置或停止，说明发生了帧失步，进入定时器中断，重启PS/2设备。

（3）USB HID中间层设计要点

LazyBoard采用了键鼠