基于单片机的USB 复合设备键盘鼠标设计

朱俊杰，龚锐彬

（广州城市理工学院 电子信息工程学院，广东广州，510800）

0 引言

市场上传统的键盘鼠标以桌面式为主，占据较大的空间，在部分场景下使用不便且不方便携带。空中鼠标[5]的出现使鼠标不再依赖桌面，利用惯性传感器采集的信息控制鼠标移动。近年来越来越多的学者对便携式键盘鼠标进行理论研究和实验测试，文献[2]设计了指尖压敏可佩戴式键盘鼠标，利用陀螺仪的速度控制鼠标，使用九宫格输入方法，依据不同手指的敲击次数作为键盘输入。文献[4]提出了BLE 空中鼠标系统，利用光标定位法和固定光标法解决“未知”和光标“死区”问题。大部分的研究文献主要对空中鼠标进行了研究和实验测试，对复合式键盘鼠标研究文献较少。

基于以上背景，本文设计了一款基于单片机的USB 复合设备键盘鼠标。该设计由USB 接收器和手机APP 组成。受控终端插入USB 接收器，手机APP 模拟键盘鼠标功能，通过蓝牙传输至终端接收，实现键盘鼠标操作。解决了键盘鼠标外设部署配置简单化，具有携带方便、灵活、稳定性强等优点。

1 方案设计

本设计方案采用模块化设计，系统结构如图1 所示。本设计由手机APP 模拟键盘鼠标操作，将操作指令数据通过蓝牙传输至USB 接收器蓝牙模块，再通过串口协议将数据传输给STM32 单片机处理，使用USB 通信协议将数据传输至USB 接口，USB 接口通过有线电缆与主机相连，最后将数据传输给主机完成键盘鼠标操作。硬件部分由主控电路、蓝牙模块和电源电路组成。主控芯片选择STM32F103C8T6，负责通信协议的转换和数据处理。蓝牙模块采用HC-05，其采用RS232 串口通信协议，负责数据通信交互，蓝牙开发模式使用双微控制器模式，由主机控制来实现模块功能。电源电路选用AMS1117-3.3V 电源芯片，实现USB 电压5V 降压为3.3V，负责给STM32 单片机和蓝牙模块供电。

图1 系统结构图

1.1 主控电路

主控电路原理图如图2 所示，主控芯片STM32F103C8T6与USB 接口相连，终端通过USB 口插入连接，使用USB数据传输协议进行通信。主控芯片与HC-05 蓝牙模块通过串口连接，使用串口传输协议通信，将蓝牙模块收到的手机APP 数据进行处理分析后发送至终端。USB 传输线[12]由电源线、地线、D+和D-四条线组成，其中电源线和地线可提供5V 电压，最大500mA 电流，D+和D-为差分信号输入线，使用3.3V 电压。

图2 主控电路原理图

1.2 电源电路

电源电路原理图如图3 所示，此部分电路主要组成有：AMS1117 稳压芯片、滤波电容、模拟地数字隔离电感电阻。该电路可稳定将5V 输入电压降为3.3V，最大电流可达1A。其中D3.3V 和A3.3V 为均3.3V 电源端，分别供数字电路和模拟电路使用。

图3 AMS1117-3.3V 电路原理图

1.3 蓝牙模块

蓝牙模块原理图如图4 所示，其中1 号，2 号引脚与主控芯片通过串口连接进行数据通信，手机APP 数据将通过模块内置射频天线接收，接收到的数据通过串口协议传输给主控芯片处理。31 号引脚连接的STA 灯用来显示蓝牙模块的工作状态，34 号引脚用来控制蓝牙芯片工作模式。当34 号引脚置低电平时，STA 灯快闪，蓝牙模块进入可配对模式，匹配成功后STA灯慢闪，进入AT模式。若匹配不成功，蓝牙模块进入AT 模式，但STA 灯继续保持快闪，此时无蓝牙匹配连接。当34 号引脚置高电平时，STA 灯慢闪，蓝牙模块进入AT 模式[10]。

图4 HC-05 蓝牙模块原理图

2 USB 原理

USB 通信[9～12]属于主从式通信，请求从主机端向设备端发出并响应。USB 协议通信时，数据编码采用NRZI 方式，以包为单位在进行传输。USB 通信有四种传输模式，指USB 设备与控制器驱动之间进行的传输以事务为单位进行，分别有批量传输、控制传输、中断传输和同步传输。中断传输模式[11]用于非周期地自然发生的数据量小的信息传输，并且只有从外设到主机一个传输方向，所以采用中断传输模式。键盘鼠标事件发生后，通过中断端口通知主机端完成相关任务。

USB 设备枚举[13]。USB 设备在插入终端时，终端检测到设备插入将进行USB 设备枚举。在枚举的过程中，终端对USB 设备进行询问，要求USB 设备对描述符进行回复，若USB 设备回复的描述符被终端正常读取，则根据USB 设备发回的数据进行分析和处理，直至终端为USB 设备配置驱动使其可以被正确识别并使用。枚举过程中传输了包括：地址、设备描述符、配置描述符、字符描述符、报告描述符等。

USB 复合设备[6]，指具有两个独立的USB 设备功能，集中在同一个硬件上的USB-HID 设备。该设计属于通用USB 设备，接口须符合USB-HID 协议，并且在接口描述符中分配两个接口，分别对应为键盘、鼠标设备接口。其中键盘在端点描述符中有两个端口，分别对应键盘按键键值和指示灯控制。USB 描述符结构框图如图5 所示。

图5 USB 描述符结构框图

3 软件设计

本设计系统软件流程为进入初始化，首先检测USB 设备枚举状态，在USB 保持连接的情况下检测蓝牙信号，使用手机APP 发送数据到单片机MCU，单片机MCU 对数据进行处理，并通过数据判断并发送键盘键值或鼠标光标位置，直到USB 断开后结束整个流程。系统软件流程图如图6 所示。

图6 系统软件整体流程图

本设计键盘鼠标操作由手机APP 实现，设计UI 组件设计界面，放置键盘按键和触摸板。进入逻辑设计界面，设计按键按下和松开的逻辑键盘操作，设计触摸板的移动相对距离Dx，Dy 得到相对坐标。APP 设计图如图7 所示，设计蓝牙虚拟按键控制手机与下位机连接开关，并将按键和触摸板操作通过蓝牙发送数据到下位机。在USB 底层协议配置中，为键盘和鼠标分别配置了2 个报告ID 号（即分配2 个接口），如图8 所示。鼠标接口负责获取鼠标的移动、单击、双击、拖动、单击右键的数据传输至相应的地址存储。键盘接口ID 号中设定2 个端口，分别负责键盘按键键值数据传输和键盘指示灯开关，并将获取的数据传输至相应的地址存储。软件处理时需保证键盘和鼠标数据正确性，防止键盘和鼠标数据错乱。

图7 APP 设计图

图8 USB 配置部分代码

4 系统联调与测试分析

通过软硬件设计后，完成实物制作，接收器实物图如图9 所示。结合APP 软件进行系统联合调试，调试包含功能性测试、稳定性测试和兼容性测试，测试方法包括：键盘全键测试、键盘指示灯测试、鼠标移动测试、鼠标点击测试、鼠标框选测试、蓝牙连接测试、冷热重启检测、热拔插检测等。

图9 接收器实物图

将接收器插入电脑对USB 设备枚举情况进行测试，使用总线协议分析软件Bus Hound 对USB 设备进行抓取显示，如图10 所示。该设计有两个接口三个端口，第一个接口枚举为键盘端口和指示灯端口，第二个接口枚举为鼠标设备。经过键盘鼠标测试软件PassMark KeyboardTest 多次测试，键盘鼠标功能正常。经测试USB 枚举成功并与结构设计完全相符，三个USB 端点均能够正常地进行数据传输且互不干扰。

图10 Bus Hound 软件设备显示图

该设计稳定性测试如表1 所示，兼容性测试如表2 所示。

表1 稳定性测试表

表2 兼容性测试表

5 结语

本文研究了单片机、USB 总线协议和蓝牙技术，深度分析USB 复合设备，以USB 设备通信传输协议为基础了设计了基于单片机的USB 复合设备键盘鼠标。经过测试结果证明，本设计具有灵活性好、稳定性强、兼容性高等优点，非常适合家庭影院、教学课堂等多媒体场景下使用，解决了键盘鼠标外设部署配置简单化的问题。