基于Cortex-M0的USB密码键盘的设计与实现

引言

密码键盘广泛地应用在金融、电信、会员卡等很多领域，现在市场的密码键盘主要有三大类接口：PS2、串口和USB。但是随着个人计算机通用外围设备越来越少地使用串口和PS2接口，这两种接口正在逐渐从个人计算机特别是便携式电脑上消失。而现在市场上的很多USB密码键盘往往是采用在原来设计的基础上加PS2转USB芯片(HID类)或者UART转USB芯片(CDC类)实现，这就造成硬件版本不兼容，生产必须有两个硬件版本。本方案基于一套硬件结构，通过软件的升级方便地实现HID类和CDC类产品之间的转换。

1 NUC120概述

NUC120系列是Nuvoton公司推出的内嵌ARMCortex-M0核的32位微控制器，该系列最高可运行至50MHz外部时钟，内建32 KB／64 KB／128 KB的Flash存储器和4 KB／8 KB／16 KB的内建SRAM；并内置定时器、看门狗定时器、RTC、PDMA、UART、SPI／SSP、I2C、I2S、PWM定时器、GPIO、USB 2．0 FS设备、12位ADC、模拟比较器、低电压检测和欠压检测功能。

2 USB协议简介

USB通用串行总线不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的接口技术，USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB协议将设备分为几大类，每一大类义分为若干子类，分别满足不同场合的应用需求。每一大类都用一个类型号标识，如音频设备为01，人机界面设备为03，海量存储设备为08。USB的数据传输共有4种类型：控制传输、中断传输、批量传输、同步传输。在USB标准子类中，本文主要讨论两类子集——HID类和CDC类。

2．1 HID类

HID(Human Interface Device，人机交互设备)类是比较大的一个类，用于控制计算机操作的一些方面，如USB鼠标、USB键盘、USB游戏操纵杆、USB触摸板、USB轨迹球、电话拨号设备、VCR遥控等设备。另外，使用HID设备的一个好处就是，操作系统自带了HID类的驱动程序，而用户无需去开发很麻烦的驱动程序，只要直接使用API调用即可完成通信。所以很多简单的USB设备，喜欢枚举成HID设备，这样就可以不用安装驱动而直接使用。

2．2 CDC类

CDC(Commuuication Devce Class，通信设备类)类是USB组织定义的一类专门给各种通信设备(电信通信设备和中速网络通信设备)使用的USB子类。根据CDC类所针对通信设备的不同，CDC类又被分成以下不同的模型：USB传统纯电话业务(POTS)模型、USB ISDN模型和USB网络模型。其中，USB传统纯电话业务模型又可分为直接线控制模型(Direct Line Control Model)、抽象控制模型(Abstract Control Model)和USB电话模型(USBTelephone Model)。通常一个CDC类又包括两个接口子类——通信接口类(Communication Interface Class)和数据接口类(Data Interface Class)。该子类可以实现虚拟串口通信的协议。

3 硬件设计

3．1 键盘设计

矩阵键盘又称为行列式键盘，本方案是用4根I／O线作为行线，3根I／O线作为列线组成行列式键盘，键盘设计方案如图1所示。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是3×4个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I／O接口的利用率。NUC120系列每个I／O接口都可以作为外部中断输入脚，在此硬件基础上，可以采用中断式或查询式程序设计思路，本方案采用一个单独的定时器来定时扫描按键。


3．2 USB通信接口设计

NUC120系列自带USB接口，该接口直接采用内置USB串行接口引擎(SIE)，而且兼容USB 2．0全速规格。

其主要特征如下：

◆提供1个中断向量和4个中断事件(WAKEUP、FLDET、USB和BUS)；
◆支持Control／Bulk／Interrupt／Isochronous传输类型；
◆在没有总线活动超过3 ms后支持暂停功能；
◆为可配置的Control／Bulk／Interrupt／Isochronous传输类型提供6个端点和最大512字节的缓存；
◆提供远程唤醒功能。

USB通信接口电路如图2所示。在D+、D-线上采用100Ω电阻进行限流。


4 软件设计

4．1 USB接口程序

Nuvoton公司为NUC120系列CPU提供了所有外设的驱动库函数，并在USB应用方面提供了大量的例程。

本方案的两套软件分别参照Smpl_HID和Smpl_VCOM设计，大大缩短了开发时间。库函数提供的例程如图3所示。


4．2 键盘扫描程序

键盘扫描采用定时器0，设置定时器0为每1 ms中断一次来判断是否有按键。键盘扫描程序流程如图4所示。长按不连续输出，同一个按键，必须按下、抬起才有效。读者可以根据自己系统的实际要求进行修改。键盘防抖处理可以根据自己的键盘类型来设置具体的时间(本方案是10ms)。


结语

本方案采用基于ARM cortex-M0内核的NUC120系列微控制器，并且有很大的扩展性，可以方便地连接液晶、语音芯片；由于内核主频最高可达50 MHz，能够实现3DES加／解密等对于8位机来说较复杂的运算功能，具有很高的性价比。