基于Cortex-M0的USB密碼鍵盤的設計與實現

引言

密碼鍵盤廣泛地應用在金融、電信、會員卡等很多領域，現在市場的密碼鍵盤主要有三大類接口：PS2、串口和USB。但是隨著個人計算機通用外圍設備越來越少地使用串口和PS2接口，這兩種接口正在逐漸從個人計算機特別是便攜式電腦上消失。而現在市場上的很多USB密碼鍵盤往往是采用在原來設計的基礎上加PS2轉USB芯片(HID類)或者UART轉USB芯片(CDC類)實現，這就造成硬件版本不兼容，生產必須有兩個硬件版本。本方案基于一套硬件結構，通過軟件的升級方便地實現HID類和CDC類產品之間的轉換。

1 NUC120概述

NUC120系列是Nuvoton公司推出的內嵌ARMCortex-M0核的32位微控制器，該系列最高可運行至50MHz外部時鐘，內建32 KB／64 KB／128 KB的Flash存儲器和4 KB／8 KB／16 KB的內建SRAM；并內置定時器、看門狗定時器、RTC、PDMA、UART、SPI／SSP、I2C、I2S、PWM定時器、GPIO、USB 2．0 FS設備、12位ADC、模擬比較器、低電壓檢測和欠壓檢測功能。

2 USB協議簡介

USB通用串行總線不是一種新的總線標準，而是應用在PC領域的接口技術，USB接口支持設備的即插即用和熱插拔功能。USB協議將設備分為幾大類，每一大類義分為若干子類，分別滿足不同場合的應用需求。每一大類都用一個類型號標識，如音頻設備為01，人機界面設備為03，海量存儲設備為08。USB的數據傳輸共有4種類型：控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸。在USB標準子類中，本文主要討論兩類子集——HID類和CDC類。

2．1 HID類

HID(Human Interface Device，人機交互設備)類是比較大的一個類，用于控制計算機操作的一些方面，如USB鼠標、USB鍵盤、USB游戲操縱桿、USB觸摸板、USB軌跡球、電話撥號設備、VCR遙控等設備。另外，使用HID設備的一個好處就是，操作系統自帶了HID類的驅動程序，而用戶無需去開發很麻煩的驅動程序，只要直接使用API調用即可完成通信。所以很多簡單的USB設備，喜歡枚舉成HID設備，這樣就可以不用安裝驅動而直接使用。

2．2 CDC類

CDC(Commuuication Devce Class，通信設備類)類是USB組織定義的一類專門給各種通信設備(電信通信設備和中速網絡通信設備)使用的USB子類。根據CDC類所針對通信設備的不同，CDC類又被分成以下不同的模型：USB傳統純電話業務(POTS)模型、USB ISDN模型和USB網絡模型。其中，USB傳統純電話業務模型又可分為直接線控制模型(Direct Line Control Model)、抽象控制模型(Abstract Control Model)和USB電話模型(USBTelephone Model)。通常一個CDC類又包括兩個接口子類——通信接口類(Communication Interface Class)和數據接口類(Data Interface Class)。該子類可以實現虛擬串口通信的協議。

3 硬件設計

3．1 鍵盤設計

矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，本方案是用4根I／O線作為行線，3根I／O線作為列線組成行列式鍵盤，鍵盤設計方案如圖1所示。在行線和列線的每一個交叉點上，設置一個按鍵。這樣鍵盤中按鍵的個數是3×4個。這種行列式鍵盤結構能夠有效地提高單片機系統中I／O接口的利用率。NUC120系列每個I／O接口都可以作為外部中斷輸入腳，在此硬件基礎上，可以采用中斷式或查詢式程序設計思路，本方案采用一個單獨的定時器來定時掃描按鍵。


3．2 USB通信接口設計

NUC120系列自帶USB接口，該接口直接采用內置USB串行接口引擎(SIE)，而且兼容USB 2．0全速規格。

其主要特征如下：

◆提供1個中斷向量和4個中斷事件(WAKEUP、FLDET、USB和BUS)；
◆支持Control／Bulk／Interrupt／Isochronous傳輸類型；
◆在沒有總線活動超過3 ms后支持暫停功能；
◆為可配置的Control／Bulk／Interrupt／Isochronous傳輸類型提供6個端點和最大512字節的緩存；
◆提供遠程喚醒功能。

USB通信接口電路如圖2所示。在D+、D-線上采用100Ω電阻進行限流。


4 軟件設計

4．1 USB接口程序

Nuvoton公司為NUC120系列CPU提供了所有外設的驅動庫函數，并在USB應用方面提供了大量的例程。

本方案的兩套軟件分別參照Smpl_HID和Smpl_VCOM設計，大大縮短了開發時間。庫函數提供的例程如圖3所示。


4．2 鍵盤掃描程序

鍵盤掃描采用定時器0，設置定時器0為每1 ms中斷一次來判斷是否有按鍵。鍵盤掃描程序流程如圖4所示。長按不連續輸出，同一個按鍵，必須按下、抬起才有效。讀者可以根據自己系統的實際要求進行修改。鍵盤防抖處理可以根據自己的鍵盤類型來設置具體的時間(本方案是10ms)。


結語

本方案采用基于ARM cortex-M0內核的NUC120系列微控制器，并且有很大的擴展性，可以方便地連接液晶、語音芯片；由于內核主頻最高可達50 MHz，能夠實現3DES加／解密等對于8位機來說較復雜的運算功能，具有很高的性價比。