基于FPGA 的PS2鼠标控制器设计

基于FPGA 的PS/2 鼠标控制器设计1 PS/2介绍 PS/2 接口作为传统的鼠标键盘接口已经被大部分人所熟知，虽然随着 USB接口键鼠的普及，绝大多数 PC用户均选择了 USB的键鼠，但目前主流 PC中依旧保留了PS/2键鼠的接口，由于 PS/2接口实现简单，使用方便的特点，在许多领域如工控机等仍旧采用 PS/2接口来完成基本的人机交互。 1.1 PS/2 的接口特性 PS/2 接口多用于鼠标和键盘，IBM是开发和使用最早的。PS/2 接口从物理上有两种类型的连接器，它们分别是5脚的 DIN和6脚的MINI-DIN，如图1-1所示。图1-1 PS/2 接口连接器引脚定义1.2 PS/2 的接口协议PS/2鼠标接口采用一种双向同步串行协议。即每在时钟线上发一个脉冲，就在数据线上发送一位数据。在相互传输中，主机拥有总线控制权，即它可以在任何时候抑制鼠标的发送。方法是把时钟线一直拉低，鼠标就不能产生时钟信号和发送数据。在两个方向的传输中，时钟信号都是由鼠标产生，即主机不产生通信时钟信号。如果主机要发送数据，它必须控制鼠标产生时钟信号。方法如下：主机首先下拉时钟线至少 100 s抑制通信，然后再下拉数据线，最后释放时钟线。通过这一时序控制鼠标产生时钟信号。PS/2接口的鼠标一般工作在10KHz-20KHz时钟频率，不同厂家制造的鼠标工作的时钟频率不同，推荐值在15kHz左右，也就是说，Clock（时钟脚）高、低电平的持续时间都为40s。PS/2接口分为两种通讯模式：设备到主机的通讯、主机到设备的通讯。时序如图1-2。当时钟为高时，设备驱动数据线改变状态，在时钟信号的下降沿数据被控制器锁存。图 1-3为主机到设备的通讯时序。图1-2鼠标到主机的通信时序图1-3主机到的鼠标通信时序1.3 PS/2 的鼠标工作模式PS/2 鼠标有四种工作模式，它们分别为：Reset 模式：当鼠标上电或主机发复位命令给它时，进入 Reset 模式；Stream 模式：这是鼠标的默认模式，当鼠标上电或复位完成后，鼠标自动进 Stream 模式，鼠标大部分就是用此模式工作；Remote模式：只有当主机发送了设置命令后，鼠标才进入 Remote 模式;Wrap模式：Wrap 模式只用于测试鼠标与主机连接是否正确。 1.4 PS/2 的数据帧格式鼠标在实际工作中，会把及时收到的数据状态发送给主机，让主机做出相应的动作。发送的数据包格式如图1-4所示。 图1-4 鼠标发送数据格式鼠标发送数据的具体方式如下：Byte1 中的 Bit0、Bit1、Bit2 分别表示左、右、中键的状态，状态值表示释放，表示按下；Byte2 和Byte3分别表示轴和轴方向的移动计量值，是二进制补码值；Byte4的低四位表示滚轮的移动二进制补码值，高四位作为扩展符号位。这种数据包由带滚轮的三键三维鼠标产生，若是不带滚轮的三键鼠标，产生的数据包没有 Byte4，其余的相同。数据帧格式如图 1-5所示。 图 1-5 数据帧格式2 硬件相关介绍2.1 PS/2 接口 DE2-115 包含一个标准的 PS/2 接口，可以用来外接 PS/2 鼠标或键盘。图 2-1给出了 PS/2 接口相关的原理图。图 2-1 PS/2 接口原理图PS/2 接口相关的引脚配置信息可以在图 2-2中找到。图 2-2 PS/2 接口引脚配置2.2 按键及拨码开关电路DE2-115提供了四个按钮开关，如图1-8所示。每个按钮开关都通过一个施密特触发器进行了去抖处理。四个施密特触发器的输出信号，分别为KEY0、KEY1、KEY2、KEY3，直接连接到了Cyclone IV E FPGA。当按钮没有被按下的时候，它的输出是高电平，按下去则给出一个低电平。得益于去抖动电路，这些按钮开关适合用来给内部电路提供（模拟的）时钟信号或者复位信号。图1-8 KEY电路示意图图1-9 按键消抖DE2-115开发板上还有18个拨动开关，如图1-10所示。这些开关没有去抖电路，它们可以作为对电平敏感的电路的输入数据。每个开关都直接连接到Cyclone IV E。当拨动开关在DOWN位置（靠近开发板边缘）的时候输出为低电平，当在UP位置是输出为高电平。图1-10 拨码开关电路示意图2.3 LED电路DE2-115开发板共有27个直接由FPGA控制的LED.18个红色的LED位于18个拨动开关的正上方，8个绿色LED可以在按钮开关的上方找到（第九个LED位于七段数码管的中间）。每一个LED都由Cyclone IV E FPGA的一个引脚直接驱动，其输出高电平则点亮LED，输出低电平LED熄灭。图1-11给出了LED和Cyclone IV E FPGA之间的连接示意图。图1-11 LED 电路示意图Cyclone IV E FPGA到拨动开关间的详细引脚连接信息请参考附录。2.4 数码管电路DE2-115配有八个七段数码管。它们被分成两组，每组四个，用来作为数字显示用。正如图1-12所示，七段数码管的每个引脚（共阳模式）均连接到Cyclone IV E FPGA。FPGA输出低电压的时候，对应的字码段点亮，反之则熄灭。每个数码管的字段都从0到6依次编号，对应我们常用的数码管7段的编号abcdefg。图1-12 数码管电路示意图3 设计方案3.1 设计任务 完成以下功能： 接入PS/2鼠标 ，按下 KEY0以使能鼠标数据发送，按下KEY1清零位移数据显示。当鼠标有移动时，可以观察到七段数码管显示的数字跟随变动。当按下左中右键时，相应的绿色LED 灯LED2:0会点亮。 3.2 系统框图整个系统的框图如下所示，按键控制数码管清零，鼠标通过 PS/2接口4根信号线向FPGA输入信号，FPGA识别信号并按程序点亮 LED灯并显示数码管。