基于USB接口芯片CH372的人机接口设备设计与实现

　　基于一种新型USB 总线接口芯片CH372，设计出一种人机接口设备-USB 鼠标。阐述了CH372 的工作原理和特点，给出了系统的硬件电路图；在软件设计中，分析了HID 类设备描述符枚举过程，根据主程序流程图，写出了部分单片机本地端主程序。通过硬件和软件调试，最后成功模拟出鼠标左键和右键功能。

　　1 引言

　　USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是计算机上的一种新型接口技术，它使得计算机和外部设备的连接十分方便。HID 是Human InterfaceDvices 的缩写，即人机接口设备，是USB 协议中最早提出并支持的一种设备类。典型的HID 有键盘和鼠标等，其主要用于和计算机进行交互通信。鼠标属于HID 设备，USB 串行总线规范专门定义了HID 类规范。Windows 操作系统能够方便地和HID 设备建立连接。

　　2 USB总线接口芯片CH372

　　2.1 功能介绍

　　CH372 是一个USB 总线的通用设备接口芯片，是CH371的升级产品，是CH375芯片的功能简化版。

　　CH372 具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便的挂接到单片机/DSP/MCU/MPU 等控制器的系统总线上；在计算机控制中，CH372 的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端的单片机通讯就如同读写文件。

　　CH372 内置了USB 通讯中的底层协议，具有省事的内置固件模式和灵活的外置固件模式。在内置固件模式下，CH372 自动处理默认端点0 的所有实物，本地端的单片机只要负责数据交换，所以单片机程序非常简洁。在外置固件模式下，由外部单片机根据需要自行处理各种USB 请求，从而可以实现符合各种USB 类规范的设备。

　　2.2 通信原理

图1 通信原理框图

　　图1 为CH372 通信原理框图，D7~D0 为8 位双向数据总线、RD#为读选通输入引脚、WR#为写选通输入引脚、CS#为片选输入引脚、INT#为中断输出引脚、A0 为地址输入引脚。

　　CH372 芯片的RD#和WR#可以分别连接到单片机的读选通输出引脚和写选通输出引脚。CS#由地址译码电路驱动，用于当单片机具有多个外围器件时进行设备选择。INT#输出的中断请求是低电平有效，可以连接到单片机的中断输入引脚或者普通I/O 引脚，单片机可以使用中断方式或者查询方式获知中断请求。

　　当WR#为高电平并且CS#和RD#及A0 都为低电平时，CH372 中的数据通过D7~D0 输出；当RD#为高电平并且CS#和WR#及A0 都为低电平时，D7~D0 上的数据被写入CH372 芯片中；当RD#为高电平并且CS#和WR#都为低电平而A1 为高电平时，D7~D0 上的数据被作为命令码写入CH372 芯片中。

　　3 硬件电路

图2 HID 设备硬件电路图

　　图2 中是没有外部扩展总线的单片机系统，单片机用普通的I/O 引脚模拟出8 位并口时序操作CH372 芯片。在这个电路中，CH372 的CS#固定为低电平，一直处于片选状态。IC1 的P1 端口作为8位双向数据总线，在单片机程序中，可以控制各个I/O引脚模拟并口时序与CH372 进行数据交换。

　　单片机的P3.0 引脚模拟为鼠标的左键；P3.1 引脚模拟为鼠标的右键。

        4 软件设计

　　4.1 HID 类设备描述符枚举

　　USB Mouse 属于HID 设备，和所有的HID 设备一样遵从USB 启动流程：设备插入→总线复位→设备枚举→数据接收/传送。怎样让PC 认识USB Mouse流程中的设备枚举就是告知PC 设备描述类型［5］。当插入USB 设备后，主机会向设备请求各种描述符来识别设备。为了把一个设备识别为HID 类别，设备在定义描述符的时候必须遵守HID 规范，因此除了USB 标准定义的一些描述符外，HID 设备还必须定义HID 描述符。主机通过识别描述符从而认识设备，认识设备数据通信格式，从而才能正常进行数据传送接收。

　　下面图3 是在调试过程中的截图，可以清楚地看出枚举有没有成功，有没有被PC 机设别出来。他们分别是成功识别，识别出设备有问题，无法识别USB设备。

图3 调试过程3 种状态截图。

　　4.2 单片机本地端主程序

　　4.2.1 主程序流程图

图4 主程序流程图
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4.2.2 部分子程序代码

　　本地端主程序可以参照图4 流程编写代码。在程序中，外置模式的设置是在CH372 初始化的子程序中完成的；中断子程序编写需要参考CH372 中文手册（二）。从图2 的硬件电路连接上可以看出，单片机的P1 口与CH372 的数据端连接，并非以总线方式挂接在单片机上，因此需要单片机的I/O 拟出相应的时序操作CH372 芯片。下面给出单片机通过数据端口写命令，写数据，读数据的三段代码。

　　枚举成功后，PC 机识别为USB Mouse.此时单片机根据图2 中所示的遥控指示信号LeftKey（P3.0 脚）和RightKey（P3.1 脚）电平高低，通过CH372端点1（中断端点）发送USB 鼠标相应的键值给PC 机，端点1（中断端点）的缓冲区数据块长度为4 个字节，LeftKey 或者RightKey 键值需要放在第一个字节上。如果鼠标左键按下，则返回0x01，0x00，0x00，0x00;若鼠标右键按下，则返回0x02，0x00，0x00，0x00。

　　下面给出端点1 上传数据示例：

　　5 结语

　　本系统是CH372 设置为灵活的外围固件模式下的应用和开发。系统硬件设计简单，软件流程清晰。

　　若将硬件和软件做很小的改动，就可以设计出其他很多HID 类设备。