基于FPGA的PS/2鼠标接口设计方法及其应用
引言
当前嵌入式系统技术已得到了广泛应用，但传统嵌入式系统的人机接口多采用小键盘操作的文本菜单方式，用户操作较为不便。本设计利用FPGA实现对PS/2接口鼠标的控制，是在以VGA作为输出设备的单片机系统上初步实现图形化用户界面的方案，它成本低、效果好，并且有很强的实用性。
FPGA（Field Programmable Gate Array）是 20世纪80年代中期出现的高密度、可编程逻辑器件，FPGA及其软件系统是开发数字电路的最新技术，它利用EDA技术，以电路原理图、硬件描述语言及状态机等形式输入设计逻辑，提供功能模拟、时序仿真等模拟手段，在功能模拟和时序仿真度满足要求后，经过一系列变换，将输入逻辑转换成FPGA器件的编程文件，以实现专用集成电路。本设计选用Altera公司推出的Cyclone II系列的EP2C5T144C8 FPGA来设计PS/2接口，体积减小，可靠性提高。
PS/2接口和协议
接口的物理特性
PS/2接口用于许多现代的鼠标和键盘，由IBM最初开发和使用。物理上的PS/2接口有两种类型的连接 器 ：5脚的DIN和６脚的MINI-DIN。图1就是两种连接器的引脚定义。使用中，主机提供+5V电源给鼠标，鼠标的地连接到主机电源地上。
图1 PS/2接口连接器引脚定义（略）
接口协议原理
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并发送数据。在两个方向的传输中，时钟信号都由鼠标产生，主机不产生通信时钟信号。
图2 鼠标到主机传输时序（略）
如果主机要发送数据，就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100μS抑制通信，然后再下拉数据线，最后释放时钟线。鼠标检测到这个时序状态后，会在10mS内产生时钟信号。如图3中(Ａ)时序段。主机和鼠标之间，传输数据帧的时序如图2、图3所示。
图3 主机到鼠标的传输时序（略）
PS/2鼠标的工作模式和协议数据包格式
PS/2鼠标的四种工作模式
PS/2鼠标的四种工作模式分别是：Reset模式，当鼠标上电或主机发复位命令(0xFF)给它时，进入这种模式；Stream模式，鼠标的默认模式，当鼠标上电或复位完成后，自动进入此模式，鼠标基本上以此模式工作；Remote模式，只有在主机发送了模式设置命令(0xF0)后，鼠标才进入这种模式；Wrap模式，这种模式只用于测试鼠标与主机连接是否正确。
数据包结构
PS/2鼠标在工作过程中，会及时把它的状态数据发送给主机。发送的数据包格式如表１所示。
表1：鼠标发送数据格式（略）
Byte1中的Bit0、Bit1、Bit2分别表示左、右、中键的状态，状态值０表示释放，１表示按下；Byte2和Byte3分别表示Ｘ轴和Ｙ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计量值，也是二进制补码值，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。
VGA信号时序
图4所示是计算机VGA（640×480，60Hz）图像格式的信号时序图，其点时钟DCLK为25．175MHz，场频为59．94Hz。图中，Vsync为场同步信号，场周期Tvsync为16．683mS，每场有525行，其中480行为有效显示行，45行为场消隐期。场同步信号Vs每场有一个脉冲，该脉冲的低电平宽度twv为63μS（2行）。场 消隐期包括场同步时间twv、场消隐前肩tHV（13行）和场消隐后肩tVH（30行），共45行。行周期THSYNC为31．78μS，每显示行包 括800点，其中640点为有效显示，160点为行消隐期（非显示 区）。行同步信号Hs每行有一个脉冲，该脉冲的低电平宽度tWH为3．81μS（即96个DCLK）；行消隐期包括行同步时间tWH，行消隐前肩tHC（19个DCLK）和行消隐后肩tCH（45个DCLK），共160个点时钟。复合消隐信号是行消隐信号和场消隐信号的逻辑与，在有效显示期复合消隐信号为高电平，在非显示区域它是低电平。
图4 VGA显示驱动时序（略）
设计实现
实现功能
1、 用FPGA实现PS/2鼠标接口。
2、鼠标左键按下时十字形鼠标图象的中间方块改变颜色，右键按下时箭头改变颜色。
3、 Reset按键：总复位。
设计原理
主机复位后，首先向鼠标发送初始化命令（0xf4）。当鼠标收到命令字后会给出一个应答字节（0xfa），主机根据应答字节来判断鼠标是否正确应答。如果应答正确则接收鼠标数据包，然后从接收到的数据包中获得鼠标位置及状态数据，并输出给显示模块。显示模块在CRT上显示出当前鼠标的状态和位置，否则，停止处理。如图5。
如图6，当状态机m2_state复位时，即进入m2_reset状态，并在 一个clk周期后进入m2_hold_clk_l状态，当ps2_clk_hi_z（时钟线）被拉低并保持400μS后进入m2_data_low_1状态，此时向鼠标 发送起始 位和d[0]、d[1]（d[0]=d[1]=0）。完成后进入m2_data_high_1状态， 发送d[2]（d[2]=1）并进入m2_data_low_2状态，此时向鼠标发送d[3]位（d[3]=0）， 完成发送进入m2_data_high_2状态，向鼠标发送d[4]、d[5]、d[6]、d[7]（d[4]=d[5]=d[6]=d[7]=1），完成发送进入m2_data_low_3状 态，向鼠标发送奇偶校验位，然后进入m2_data_high_3状态，将数据线拉高，等待鼠标返回应答信号。若PS/2时钟信号下降沿来临时，数据线仍未变为高电平，则进入m2_error_no_ack状态，此时握手失败，系统将保持m2_error_no_ack状态直到下一次复位，否则进入m2_await_response状态接收应答字，接收完成进入m2_verify数据校验，然后进入m2_use状态，锁存输出数据，并进入m2_wait状态，等待接收数据。当检测到时钟下降沿后进入m2_gather状态，接收鼠标数据包，接收完成进入m2_verify状态，此时便形成了数据接收循环。
PS/2程序源码
entity mouse is
Port (clk : in std_logic; reset : in std_logic; ps2_clk : inout std_logic; ps2_data : inout std_logic; left_button : out std_logic; right_button : out std_logic; mousex: buffer std_logic_vector(9 downto 0); mousey: buffer std_logic_vector(9 downto 0); data_ready : out std_logic; error_no_ack : out std_logic);
end mouse;
architecture Behavioral of mouse is
--变量、信号定义（略）
begin
ps2_clk <= '0' when ps2_clk_hi_z='0' else 'Z';
ps2_data <= '0' when ps2_data_hi_z='0' else 'Z';
--检测ps2clk上升沿和下降沿（略）
m2statech: process (reset, clk) ------------------m2 状态
begin
if (reset='0') then
m2_state <= m2_reset;
elsif (clk'event and clk='1') then
m2_state <= m2_next_state;
end if;
end process;
--m2 状态传输逻辑
m2statetr: process (m2_state, q, fall,rise,watchdog_timer_done,bitcount,ps2_data,packet_good)
begin
ps2_clk_hi_z <= '1';
ps2_data_hi_z <= '1';
error_no_ack <= '0';
output_strobe <= '0';
case m2_state is
when m2_reset => -- 复位后向鼠标发送命令字
m2_next_state <= m2_hold_clk_l;
when m2_wait =>
if (fall='1') then
m2_next_state <= m2_gather;
else
m2_next_state <= m2_wait;
end if;
when m2_gather =>
if ((watchdog_timer_done='1') and (bitcount=TOTAL_BITS))then
m2_next_state <= m2_verify;
else
m2_next_state <= m2_gather;
end if;
when m2_verify =>
--if (bitcount < TOTAL_BITS) then
--m2_next_state <= m2_wait;
--else
m2_next_state <= m2_use;
--end if;
when m2_use =>
output_strobe <= '1';
m2_next_state <= m2_wait;
-- 用状态机的9个状态实现命令字传输，使鼠标进入"streaming"模式，并等待鼠标正确应答
when m2_hold_clk_l =>
ps2_clk_hi_z <= '0'; -- 启动看门狗!
if (watchdog_timer_done='1') then
m2_next_state <= m2_data_low_1;
else
m2_next_state <= m2_hold_clk_l;
end if;
when m2_data_low_1 =>
ps2_data_hi_z <= '0'; -- 数据位 开始位, d[0] and d[1]
if (fall='1' and (bitcount = 2)) then
m2_next_state <= m2_data_high_1;
else
m2_next_state <= m2_data_low_1;
end if;
when m2_data_high_1 =>
ps2_data_hi_z <= '1'; -- 数据位 d[2]
if (fall='1' and (bitcount = 3)) then
m2_next_state <= m2_data_low_2;
else
m2_next_state <= m2_data_high_1;
end if;
when m2_data_low_2 =>
ps2_data_hi_z <= '0'; -- 数据位 d[3]
if (fall='1' and (bitcount = 4)) then
m2_next_state <= m2_data_high_2;
else
m2_next_state <= m2_data_low_2;
end if;
when m2_data_high_2 =>
ps2_data_hi_z <= '1'; -- 数据位 d[4],d[5],d[6],d[7]
if (fall='1' and (bitcount = 8)) then
m2_next_state <= m2_data_low_3;
else
m2_next_state <= m2_data_high_2;
end if;
when m2_data_low_3 =>
ps2_data_hi_z <= '0'; -- 奇偶校验位
if (fall='1') then
m2_next_state <= m2_data_high_3;
else
m2_next_state <= m2_data_low_3;
end if;
when m2_data_high_3 =>
ps2_data_hi_z <= '1'; -- 允许鼠标拉成低电平(ACK脉冲)
if (fall='1' and (ps2_data='1')) then
m2_next_state <= m2_error_no_ack;
elsif (fall='1' and (ps2_data='0')) then
m2_next_state <= m2_await_response;
else
m2_next_state <= m2_data_high_3;
end if;
when m2_error_no_ack =>
error_no_ack <= '1';
m2_next_state <= m2_error_no_ack;
-- 为了鼠标正确进入"streaming"模式，状态极必须等待足够长的时间，确保鼠标正确应答0xFA。
when m2_await_response =>
--if (bitcount = 22) then
m2_next_state <= m2_verify;
--else
-- m2_next_state <= m2_await_response;
--end if;
when others => m2_next_state <= m2_wait;
end case;
end process;-----------------------------m2 状态结束
-- 位计数器 （略）
-- 数据移位寄存器（略）
-- 看门狗时间计数器（略）
watchdog_timer_done <= '1' when (watchdog_timer_count=WATCHDOG-1) else '0';
packet_good <= '1'; -- 接收数据包有效标志
outdata: process (reset, clk) -- 输出数据
begin
if (reset='0') then
left_button <= '0';
right_button <= '0';
elsif (clk'event and clk='1') then
if (output_strobe='1') then
left_button <= q(1);
right_button <= q(2);
mouseyy <= not (q(6) & q(6) & q(30 downto 23)) + "1";
end if;
end if;
end process;
cordinatex: process (reset, clk)
begin
if (reset='0') then
mousex <= "0110010000"; -- 400
elsif (clk'event and clk='1') then
if (output_strobe='1') then
if ((mousex >= 797 and q(5)='0') or (mousex <= 2 and
q(5)='1')) then
mousex <= mousex;
else
mousex <= mousex + (q(5) & q(5) & q(19 downto
12));--q(5):xsign q(6):ysign
end if;
end if;
end if;
end process;
cordinatey: process (reset, clk)
begin
if (reset='0') then
mousey <= "0100101100"; -- 300
elsif (clk'event and clk='1') then
if (output_strobe='1') then
if ((mousey >= 597 and q(6)='1') or (mousey <= 2
and q(6)='0')) then
mousey <= mousey;
else
m ousey <= mousey + mouseyy; --(q(6) & q(6) & q(30
downto 23));
end if;
end if;
end if;
end process;
data_ready <= output_strobe;
end Behavioral;
结束语
该设计采用了清华大学THCII-1创新SoPC实验套件进行综合、仿真和下载，测试得到了满意的效果，完整地实现了对PS/2和VGA的时序驱动。
该设计可以被应用到各种需要鼠标操作、以VGA作为显示的嵌入式系统中，从而大大提高人机交互能力，降低了开发成本，提高了开发效率，使系统的稳定性也得到了可靠的保障。 |
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