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为了出差方便，笔者购置了笔记本电脑，由于笔记本电脑已淘汰了PS2接口，于是家中的PS2鼠标就被闲置了起来，笔者突发奇想，USB鼠标可以通过一个简易的转接器插到台式机的PS2口中使用，反过来行不行呢?笔者做了试验，结果却很失望，根本不行。看来需要另辟蹊径，于是，一不做二不休，用PDIUSBD12和51单片机设计了一个PS2转USB的协议转换器。原本其实并不抱太大的希望，结果却神奇般地成功了，而且不需要另外编写驱动，采用USB直接供电，识别为USB鼠标，十分好用，现将制作成果分享如下。
硬件设计
电路原理图如图1所示。
其中鼠标PS2接口的引脚定义如图2。
电路的主体为ATMEL公司的51系列芯片ATMEL89S52(以下简称S52)和PHILIPS公司的并行传输USB接口芯片PDIUSBD12(以下简称D12)。S52相信读者已经非常熟悉了，最高24MHz的主频，256字节的RAM，4组8位I／O口，没有什么特别的功能，一切中规中矩，本设计在此仅用到一个外部中断。但这同时也说明，任何51内核(带总线)的单片机都可以适用。
PDIUSBD12是应用十分广泛的并行接口USB控制芯片，作为实现USB接口的标准组件，D12使设计者能够灵活选择合适的MCU，用最经济最快的方式实现USB外设的解决方案。
S52主要完成PS2接口鼠标的控制与数据获取，并通过PDIUSBD12与PC完成鼠标协议数据的传输。
为了精简电路，S52使用D12的可编程时钟源，通过编程输出高达24MHz的时钟，供S52使用；观察调试输出的Uart波特率需要为19200bps，便于快速输出信息，不耽误正常的USB枚举。
软件设计
鼠标的工作模式有四种，分别为Reset模式，Wrap模式，Remote模式和Stream模式。前两种作为测试用，Remote模式为主机有需要时，发送命令使鼠标回送位移数据，Stream模式是上电的初始模式，每当鼠标产生位置或者按键状态的改变就自动发送数据。显而易见，第四种模式最为合适。正常读取鼠标数据前只需发送命令(0xF4)，此命令告知鼠标，主机已经准备完毕，可以接受位移数据。
但是这样简单的初始化存在着一个显著的缺陷，就是笔者发现滚轮无法使用了。这个问题困扰了笔者很久，原以为是软件编写出现小错误，引起鼠标能工作，但工作不正常。后来仔细查看了相关文档才发现，鼠标的初始化远没有那么简单，有点复杂却非常有趣：首先进行复位，这时的鼠标还是不带滚轮的，然后依次设置鼠标的采样率为200、100、80，这时候，就可以被识别为带滚轮的鼠标了，随后就根据需要，设置所需的采样率，一般默认的100即可。
PS／2鼠标与控制器间履行一种双向同步串行数据帧协议，每帧为11～12Bit，如图3所示。
按照标准的三键鼠标的数据包有效数据为3个字节，如图4所示。
读取PS／2鼠标数据后需要按照USB鼠标的格式进行转换。USB鼠标的数据格式如图5所示：
此鼠标的重点调试重点是S52的USB控制代码。笔者参考了PHILIPS的标准固件驱动代码，并进行了一定优化。
USB的控制代码通常由三部分组成。
(1)初始化：初始化主要对S52以及外围电路的初始化，通过复位，初始化USB并读取D12的ChipID进行确认(D12的ChipID为0x1012)；
(2)中断服务：用于对主机的令牌包的响应，主要包括StandardDeviceReq标准请求，VendorDeviceReq用户厂商请求和ClassFunctionReq类设备请求等，其中比较重要的为标准请求。标准请求的作用是告诉PC这是一个什么样的USB设备，包括USB类型、USB设备的描述符等；
(3)主循环处理数据：用于对获得的USB鼠标数据的处理填充，并等待PC要求数据时将数据传送给PC。
Windows对USB设备的枚举顺序：
(1)GetDeviceDescriptor：主机主要对Length感兴趣，即第2字节type必须为0x01，即Device，否则PC将重复2次后放弃(注意：此步只发送前16字节设备描述符)；
(2)SetAddress：一般为02或者03；
(3)GetDeviceDescriptor：读取全部设备描述符，一般为18字节分为2次传输，如果不正确PC重复2次后放弃(与(1)步相比，此步发送全部的18字节设备描述符)；
(4)GetConfigDescriptor：注意第2字节一定为0x02即Config；
(5)GetStringDescriptor：根据在设备描述符中的第15、16、17字节索引顺序而定，一般先读取LanguageID再读取ProductString读取全部ConfigDescriptor，次数根据描述符的大小决定，端点个数不同，描述符大小不同。至此PC已经能正确识别设备并安装驱动，如果不正确PC将重复2次后放弃；
(6)SetCorfiguration、GetConfiguration和Getlnterface等调用，对设备的状态进行最后的配置即完成设备的枚举。
在编写USB固件程序时需要注意：
(1)S52的中断应设置为电平触发，中断后必须读上次传输状态寄存器命令0x40-0x45，以清除中断寄存器中的中断标志，只有这样D12的中断输出才能变回高电平；
(2)在接收到Setup包后必须调用ACKsetup命令重新使能端口0；
(3)在向IN端点写完数据后必须调用ValidateBuffer命令(0xFA)指明缓冲区中的数据有效，可以发送到主机；
(4)当读完数据后必须调用ClearBuffer命令(0xF2)，以保证可以接收新的包；
(5)在调试过程中，可使用USBVIEW等工具软件，外加代码中的串口输出调试信息配合完成；
(6)在代码中涉及到鼠标报告描述符MouseReportDescriptor，可以使用HID Descrptor
Tool工具生成。
USB鼠标的软件流程如下：
完成后的截图如图7所示。
图7为在设备管理器中看到的识别为“USB人体学输入设备”以及“HID-compliant mouse”；在“人体学输入设备”查看属性，可看到“位置0(LLH-HXY’MOUSE)”。
图8为使用USBVIEW调试工具看到的USB鼠标信息。
图9为笔者的做的实物图，正在使用中。
该USB鼠标经过笔者的长时间测试使用，性能比较稳定。在实际使用过程中应对鼠标的移动速度进行调整，以更加适应自身的使用习惯。除此之外，硬件焊接正确无需调试便可正常工作。笔者已经附上全部的代码以及调试输出信息，供读者进行参考。
本文利用ATMEL89S52完成了鼠标移动数据的读取与PC机通信数据的传送，其实质为PS／2到USB协议的转换，有兴趣的读者可以使用更加小巧、低电压的芯片进行改造，使结构更加合理，外观更加美观。从学习USB协议的通用性和易用性上说，具有广泛的价值。 |
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发表于 2012-4-24 08:49:47
