基于FPGA 的PS2鼠標(biāo)控制器設(shè)計

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1、 基于FPGA 的PS/2 鼠標(biāo)控制器設(shè)計 1 PS/2介紹 PS/2 接口作為傳統(tǒng)的鼠標(biāo)鍵盤接口已經(jīng)被大部分人所熟知，雖然隨著 USB 接口鍵鼠的普及，絕大多數(shù) PC用戶均選擇了 USB的鍵鼠，但目前主流 PC中依舊保留了PS/2鍵鼠的接口，由于 PS/2接口實現(xiàn)簡單，使用方便的特點，在許多領(lǐng)域如工控機等仍舊采用 PS/2接口來完成基本的人機交互。 1.1 PS/2 的接口特性 PS/2 接口多用于鼠標(biāo)和鍵盤，IBM是開發(fā)和使用最早的。PS/2 接口從物理上有兩種類型的連接器，它們分別是5腳的 DIN和6腳的MINI-DIN，如圖1-1所示。

2、 圖1-1 PS/2 接口連接器引腳定義 1.2 PS/2 的接口協(xié)議 PS/2鼠標(biāo)接口采用一種雙向同步串行協(xié)議。即每在時鐘線上發(fā)一個脈沖，就在數(shù)據(jù)線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)。在相互傳輸中，主機擁有總線控制權(quán)，即它可以在任何時候抑制鼠標(biāo)的發(fā)送。方法是把時鐘線一直拉低，鼠標(biāo)就不能產(chǎn)生時鐘信號和發(fā)送數(shù)據(jù)。在兩個方向的傳輸中，時鐘信號都是由鼠標(biāo)產(chǎn)生，即主機不產(chǎn)生通信時鐘信號。如果主機要發(fā)送數(shù)據(jù)，它必須控制鼠標(biāo)產(chǎn)生時鐘信號。方法如下：主機首先下拉時鐘線至少 100μ s抑制通信，然后再下拉數(shù)據(jù)線，最后釋放時鐘線。通過這一時序控制鼠標(biāo)產(chǎn)生時鐘信號。PS/2接口的鼠標(biāo)一般工作在10KHz-20KHz

3、時鐘頻率，不同廠家制造的鼠標(biāo)工作的時鐘頻率不同，推薦值在15kHz左右，也就是說，Clock（時鐘腳）高、低電平的持續(xù)時間都為40μs。 PS/2接口分為兩種通訊模式：設(shè)備到主機的通訊、主機到設(shè)備的通訊。時序如圖1-2。當(dāng)時鐘為高時，設(shè)備驅(qū)動數(shù)據(jù)線改變狀態(tài)，在時鐘信號的下降沿數(shù)據(jù)被控制器鎖存。圖 1-3為主機到設(shè)備的通訊時序。 圖1-2鼠標(biāo)到主機的通信時序 圖1-3主機到的鼠標(biāo)通信時序 1.3 PS/2 的鼠標(biāo)工作模式 PS/2 鼠標(biāo)有四種工作模式，它們分別為：Reset 模式：當(dāng)鼠標(biāo)上電或主機 發(fā)復(fù)位命令給它時，進入 Reset 模式；Stream 模式：這是鼠

4、標(biāo)的默認(rèn)模式，當(dāng) 鼠標(biāo)上電或復(fù)位完成后，鼠標(biāo)自動進 Stream 模式，鼠標(biāo)大部分就是用此模式工作；Remote模式：只有當(dāng)主機發(fā)送了設(shè)置命令后，鼠標(biāo)才進入 Remote 模式;Wrap模式：Wrap 模式只用于測試鼠標(biāo)與主機連接是否正確。 1.4 PS/2 的數(shù)據(jù)幀格式 鼠標(biāo)在實際工作中，會把及時收到的數(shù)據(jù)狀態(tài)發(fā)送給主機，讓主機做出相應(yīng) 的動作。發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式如圖1-4所示。 圖1-4 鼠標(biāo)發(fā)送數(shù)據(jù)格式 鼠標(biāo)發(fā)送數(shù)據(jù)的具體方式如下：Byte1 中的 Bit0、Bit1、Bit2 分別表示左、右、中鍵的狀態(tài)，狀態(tài)值０表示釋放

5、，１表示按下；Byte2 和Byte3分別表示Ｘ軸和Ｙ軸方向的移動計量值，是二進制補碼值；Byte4的低四位表示滾輪的移動二進制補碼值，高四位作為擴展符號位。這種數(shù)據(jù)包由帶滾輪的三鍵三維鼠標(biāo)產(chǎn)生，若是不帶滾輪的三鍵鼠標(biāo)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包沒有 Byte4，其余的相同。數(shù)據(jù)幀格式如圖 1-5所示。 圖 1-5 數(shù)據(jù)幀格式 2 硬件相關(guān)介紹 2.1 PS/2 接口 DE2-115 包含一個標(biāo)準(zhǔn)的 PS/2 接口，可以用來外接 PS/2 鼠標(biāo)或鍵盤。圖 2-1給出了 PS/2 接口相關(guān)的原理圖。 圖 2-1 PS/2 接口原理圖 PS/2 接口相關(guān)的引腳配置信息可以

6、在圖 2-2中找到。 圖 2-2 PS/2 接口引腳配置 2.2 按鍵及撥碼開關(guān)電路 DE2-115提供了四個按鈕開關(guān)，如圖1-8所示。每個按鈕開關(guān)都通過一個施密特觸發(fā)器進行了去抖處理。四個施密特觸發(fā)器的輸出信號，分別為KEY0、KEY1、KEY2、KEY3，直接連接到了Cyclone IV E FPGA。當(dāng)按鈕沒有被按下的時候，它的輸出是高電平，按下去則給出一個低電平。得益于去抖動電路，這些按鈕開關(guān)適合用來給內(nèi)部電路提供（模擬的）時鐘信號或者復(fù)位信號。 圖1-8 KEY電路示意圖 圖1-9 按鍵消抖 DE2-115開發(fā)板上還有18個撥動開關(guān)，如圖1-10

7、所示。這些開關(guān)沒有去抖電路，它們可以作為對電平敏感的電路的輸入數(shù)據(jù)。每個開關(guān)都直接連接到Cyclone IV E。當(dāng)撥動開關(guān)在DOWN位置（靠近開發(fā)板邊緣）的時候輸出為低電平，當(dāng)在UP位置是輸出為高電平。 圖1-10 撥碼開關(guān)電路示意圖 2.3 LED電路 DE2-115開發(fā)板共有27個直接由FPGA控制的LED.18個紅色的LED位于18個撥動開關(guān)的正上方，8個綠色LED可以在按鈕開關(guān)的上方找到（第九個LED位于七段數(shù)碼管的中間）。每一個LED都由Cyclone IV E FPGA的一個引腳直接驅(qū)動，其輸出高電平則點亮LED，輸出低電平LED熄滅。圖1-11給出了LED和C

8、yclone IV E FPGA之間的連接示意圖。 圖1-11 LED 電路示意圖 Cyclone IV E FPGA到撥動開關(guān)間的詳細(xì)引腳連接信息請參考附錄。 2.4 數(shù)碼管電路 DE2-115配有八個七段數(shù)碼管。它們被分成兩組，每組四個，用來作為數(shù)字顯示用。正如圖1-12所示，七段數(shù)碼管的每個引腳（共陽模式）均連接到Cyclone IV E FPGA。FPGA輸出低電壓的時候，對應(yīng)的字碼段點亮，反之則熄滅。 每個數(shù)碼管的字段都從0到6依次編號，對應(yīng)我們常用的數(shù)碼管7段的編號abcdefg。 圖1-12 數(shù)碼管電路示意圖 3 設(shè)計方案 3.1 設(shè)計任務(wù) 完成以下功能： 接入PS/2鼠標(biāo) ，按下 KEY0以使能鼠標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送，按下KEY1清零位移數(shù)據(jù)顯示。當(dāng)鼠標(biāo)有移動時，可以觀察到七段數(shù)碼管顯示的數(shù)字跟隨變動。當(dāng)按下左中右鍵時，相應(yīng)的綠色LED 燈LED[2:0]會點亮。 3.2 系統(tǒng)框圖 整個系統(tǒng)的框圖如下所示，按鍵控制數(shù)碼管清零，鼠標(biāo)通過 PS/2接口4根 信號線向FPGA輸入信號，F(xiàn)PGA識別信號并按程序點亮 LED燈并顯示數(shù)碼管。