嵌入式设备鼠标接口的设计与实现
当前嵌入式系统技术已得到了广泛应用，但传统嵌入式系统的人机接口多采用小键盘操作的文本菜单方式，用户操作较为不便。本文介绍了一种利用ＰＳ／２接口鼠标，在点阵ＬＣＤ的单片机系统上实现图形化用户界面的方案。用窗口菜单和图形按钮取代了传统的键盘操作，具有成本低、效果好等特点，具有很强的实用性。
１ ＰＳ／２接口和协议
１．１ 接口的物理特性
ＰＳ／２接口用于许多现代的鼠标和键盘，由ＩＢＭ最初开发和使用。物理上的ＰＳ／２接口有两种类型的连接器：５脚的ＤＩＮ和６脚的ｍｉｎｉ－ＤＩＮ。图１就是两种连接器的引脚定义。使用中，主机提供＋５Ｖ电源给鼠标，鼠标的地连接到主机电源地上。
１．２ 接口协议原理
ＰＳ／２鼠标接口采用一种双向同步串行协议。即每在时钟线上发一个脉冲，就在数据线上发送一位数据。在相互传输中，主机拥有总线控制权，即它可以在任何时候抑制鼠标的发送。方法是把时钟线一直拉低，鼠标就不能产生时钟信号和发送数据。在两个方向的传输中，时钟信号都是由鼠标产生，即主机不产生通信时钟信号。
如果主机要发送数据，它必须控制鼠标产生时钟信号。方法如下：主机首先下拉时钟线至少１００μｓ抑制通信，然后再下拉数据线，最后释放时钟线。通过这一时序控制鼠标产生时钟信号。当鼠标检测到这个时序状态，会在１０ｍｓ内产生时钟信号。如图３中Ａ 时序段。主机和鼠标之间，传输数据帧的时序如图２、图３所示。
２ ＰＳ／２鼠标的工作模式和协议数据包格式
２．１ ＰＳ／２鼠标的四种工作模式
ＰＳ／２鼠标的四种工作模式是：Ｒｅｓｅｔ模式，当鼠标上电或主机发复位命令０ｘＦＦ 给它时进入这种模式；Ｓｔｒｅａｍ模式鼠标的默认模式，当鼠标上电或复位完成后，自动进入此模式，鼠标基本上以此模式工作；Ｒｅｍｏｔｅ模式，只有在主机发送了模式设置命令０ｘＦ０ 后，鼠标才进入这种模式；Ｗｒａｐ模式，这种模式只用于测试鼠标与主机连接是否正确。
２．２ 数据包结构
ＰＳ／２鼠标在工作过程中，会及时把它的状态数据发送给主机。发送的数据包格式如表１所示。
表1 鼠标发送的数据包格式
Ｂｙｔｅ１中的Ｂｉｔ０、Ｂｉｔ１、Ｂｉｔ２分别表示左、右、中键的状态，状态值０表示释放,１表示按下。Ｂｙｔｅ２和Ｂｙｔｅ３分别表示Ｘ轴和Ｙ轴方向的移动计量值，是二进制补码值。Ｂｙｔｅ４的低四位表示滚轮的移动计量值，也是二进制补码值，高四位作为扩展符号位。这种数据包由带滚轮的三键三维鼠标产生。若是不带滚轮的三键鼠标，产生的数据包没有Ｂｙｔｅ４其余的相同。
３ 设计与实现
３．１ 接口设计
因为ＰＳ／２鼠标接口采用双向同步串行协议，时钟脉冲信号以下皆称ＣＬＯＣＫ 总是由鼠标产生。因此，可以考虑这种方案：鼠标的ＣＬＯＣＫ接主机的一外中断线，数据线以下皆称ＤＡＴＡ 接主机的某一Ｉ／Ｏ口线，如图４所示。
在主机程序中，利用每个数据位的时钟脉冲触发中断，在中断例程中实现数据位的判断和接收。在实验过程中，通过合适的编程，能够正确控制并接收鼠标数据。但该方案有一点不足，由于每个ＣＬＯＣＫ都要产生一次中断，中断频繁，需要耗用大量的主机资源。
由于鼠标与主机之间以双向同步串行协议传送数据，若不考虑ＣＬＯＣＫ，仅考虑ＤＡＴＡ，则其数据帧的时序与单片机的ＵＡＲＴ异步串行时序类似。所以，采用了另一种方案：鼠标的ＣＬＯＣＫ仍旧接主机的外中断，但鼠标的ＤＡＴＡ接ＵＡＲＴ的接收脚ＲｘＤ 。参照图４ＤＡＴＡ改接ＲｘＤ。在初始化过程中，主机利用ＣＬＯＣＫ的外中断和ＲｘＤ脚的Ｉ／Ｏ口线功能实现数据的传输。初始化完成后，切换到ＲｘＤ功能即ＵＡＲＴ的接收引脚功能 。因为鼠标已处于Ｓｔｒｅａｍ模式的工作状态，这时鼠标能主动发送数据。这样，主机可以在每收到一帧数据时才中断一次。中断次数大大降低，减少了主机资源的耗用。
不过，在此方案中，必须实现另一个功能：主机波特率的自适应。因为ＰＳ／２接口的鼠标一般工作在１０ｋＨｚ～２０ｋＨｚ时钟频率。不同厂家制造的鼠标工作的时钟频率不同。嵌入设备主机要做到与不同鼠标的波特率同步和自适应，才能够正确接收鼠标传送来的数据。波特率的自适应是这样实现：鼠标上电自检时会产生一串时钟脉冲，利用鼠标时钟脉冲产生的中断，结合主机的定时器测量时钟脉冲周期，可以得出所用鼠标的时钟频率，进而求出波特率。通过设置相应的波特率寄存器，实现了波特率的自适应。
３．２ 软件实现