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基于ARM的DCS专用工业键盘研究与实现(二)

来源:上仪销售网 编辑:上仪销售网 发布时间:2013-07-14 文章点击数:154

工业控制现场中的分散控制系统(DCS)需要特定 的DCS操作员键盘对其进行控制。本文研究基于 ARM微处理器的DCS专用工业键盘,设计?#21496;?#26377; USB2.0通信协议的标准HID类键盘接口程序以及具有标准PC键盘和DCS功能扩展键盘功能的键盘任 务处理程序,有效实现了该专用键盘。实验结果表明, 设计合理、系统稳定与可靠,能满足工业现场环境的需要。

引言

随着工业控制现场中分散控制系统(DCS)的发 展,需要特定的DCS操作员键盘对系统进行控制。该 键盘使操作员能对系统的操作更加直观,操作方法更 加简捷,以降低对操作员的操作技能要求,进一步减 少误操作的可能,从而提高整个生产线的自动化能力。 DCS操作员键盘正是基于这个目的产生的。该键盘在 功能上除了兼容标准PC键盘的功能外,增加了 DCS 功能扩展区和用户自定义扩展区。在该键盘按键壳体 上印刷按键功能,如逻辑开、逻辑关、手动、自动、报警、 输出步长等等,一旦有按键动作,键盘立刻响应并将按 键编码发给主机,主机根据接收到的按键编码调用相 应的子函数来完?#19978;?#24212;功能。同时该键盘支持目前广 泛流行的USB接口的标准PC键盘通讯协议。USB协 议专门为人机?#25442;?#35774;备提供了接口描述,即HID设备 类。用户可以按照HID设备类的协议设计通用键盘, 也可以根据自己的需要设计特殊的键盘,以满足不同 的应用场合。USB通信协议的设备一旦接入主机USB 接口 ,主机调用底层驱动自动完成USB设备的枚举, 实现方便快捷的即插即用。另外该键盘可记挂标准 PC键盘,即便在DCS操作员键盘?#25910;?#25110;在高级工程 师操作管理模?#36739;攏?#21487;使用标准PC键盘做进一步的 操作。在基本功能上与标准PC键盘保持一致,?#19978;?#20114; 控制Capslock状态。本文描述的正是这样一个基于 ARM的DCS专用工业键盘的研究与实现。

2.1 USB任务处理设计

USB键盘是HID类设备的一种,遵循着USB设 备启动过程。即每次设?#38468;?#20837;总线,先进入设备检测 状态,总线对设?#38468;?#34892;总线复位。其次是设?#35813;?#20030;过 程,在这里USB设?#38468;?#34987;枚举为标准的HID类键 盘。主机通过默认端点0发送SETUP包,得到设备 描述符,然后给设备分配新的地址,分配成功后, 主机将通过新的设备地址向设备?#26469;?#21457;送标准USB 请求来获取设备的配置信息,即获得设?#35813;?#36848;符、配 置描述符、接口描述符、端点描述符、HID描述符 和报表描述符。通过设备的这些描述符,主机就知 道了设备的详细信息,并根据设备的配置情况对设备 的端点进行操作。这些操作包括初始化端点数目,分 配各端点所需使用的Packet Buffer;初始化所使用的 端点,配置端点的传输类型、传输?#36739;頡acket Buffer地?#27867;统?#22987;状态。在需要发送数据或接收数据 的时候,使能端点;并在该端点的中断回调函数中, 处理数据,如果需要则使能下一次传输。以上便是实 现USB键盘设备的步骤。

USB设?#35813;?#36848;符如下:

在实际设计与开发中,由于STM32提供丰富的 USB标准函数库,充分使用该函数库会加快开发进 程。下面是一段对IN端点的初始化和使能,以及 IN传输的关键代码:

2.2 键盘任务处理设计

键盘任务处理函数keyboard ()流程图如图3所 示。先对按键进行扫描,若无按键按下,则每隔 10ms扫描一次。若有按键按下,记录下按键所处键 盘的位置代码,转向消抖处理。所按下按键若通过 消抖处理,则确认其位置代码,进入到按键处理阶 段,将位置代码转换为按键HID码并发送。否则释 放其位置代码,转到按键扫描处重新扫描。发送完 其HID码的按键再进行消抖处理看释放否。若按键 未释放则继续等待,若已释放则转向按键扫描处重新扫描。

在具体设计中引入状态转?#21697;?#26512;法和定时器中 断。将按键的所有状态分为4种。状态0为按键扫 描,状态1为按键消抖处理并确认,状态2为按键键 码转换并发送,状态3为等待按键释放状态。以上的 函数流程实际上是在这4个状态中转移, 如图 4所 示。设置一个状态标志位key_state来表示按键所处 的不同状态,采用多?#31181;?#32467;‘ swich-case,可以很方便的实现。

而定时器中断是使MCU的TIM2定时器产生 10ms的定时中断。主程序每隔10ms中?#31995;?#29992;key?board ()函数一次。当无按键按下时,key_state二0, 执行case0,即实现了每10ms执行一次键盘扫描。若 有按键按下,则定位其按下按键的位置代码,并使 key_state二1。当 10ms 后再次调用 keyboard ()函数, 这时key_state二1而进入case1,在case1中对前面所 定位的按键位置再次进行确认,若还在,则再?#31283;?#23450; 其位置代码,并使key_state二2。如此时按键已经释 放,说明为假按键,则使key_state二0,返回按键扫 描。这里巧妙利用了两次定时'断的10ms间隔实现 按键的消抖处理。若key_state二2, 10ms后再次调用 keyboard (函数时则进入case2,这里将已确认的按 键位置代码转化为按键代码以及最终的HID码,建 立键盘报表并发送给主机,然后使key_state二!。当下 一个10ms, key_state二!则进入csae!,等待按键释放 状态,此时再次扫描前面已确定按键的位置,若按键 已释放,则key_state 二0,下一个10ms来临则进入 case0重新按键扫描?#29615;?#21017;仍然key_state 二!,继续等 待释放。这里也巧妙的利用这10ms进行按键释放时 的去抖动处理。

另外在多键(含双键)、特殊功能键和复合键的 实现中,该软件也设计了比较好的实现方法。譬如多 键,设置内部缓存器,在逐行扫描中将每个按下按键 在矩阵键盘中的位置代码存入其中。之后的消抖处理 等操作的对象便是缓存器中的按键位置代码值。系统 最多处理的普通键数为6个,超过则为溢出。对于特 殊功能键,其形式上是单键,实际实现的是多键的功 能。只要将单键在发送前转换成需要的多键HID码, 即可方便实现。对于复合键,理论上是两个以上按键 同时按下所完成的功能,实?#26159;?#20917;很难实现真正的 “同时按下?#20445;?#23427;们的时间差别可能长达50ms。譬如 对引导键SHIFT键的设计,需设置专门标志位 Shiftkeyjlag,有 SHIFT 按下则 Shiftkey_£lag二1,否则 为0。在第一次检测出SHIFT单按键时,改变状态 标志位为1。随后的按键扫描中,若再无其他按键按 下,则key_state 二0,直到有其他按键按下,key_state 二1。这在软件中实际上是对状态0的细化。同理, 在各个状态中,因为该键的特殊性,也有相应的细化 过程。

从以上分析可见,这样的软件设计不仅结构清 晰,代码简洁,实现便捷,而且使得当无按键按下, 键盘每10ms扫描一次,当有确定非复合按键按下 (即通过消抖处理",则键盘响应速度在30ms以内, 如此的响应速度大大提高了键盘的灵敏度。

3结束语

DCS系统是目前工业控制领域的核心系统,其 专用键盘是提高整个生产线自动化能力的关键?#25442;貳?该专用键盘的设计避免了现有键盘电路特殊按键实现 复?#21360;?#36719;硬件成本高的情况,而是研究开发了基于 ARM的DCS专用工业键盘,实现了对多达86个按 键的控制。采用STM32芯片及有效率的软件开发大 大提高了产品开发的速度。经过实验结果与实际应用 证明,该专用键盘易用性、可靠?#28304;?#21040;了工业要求, 并产生很大的经济效益。


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