基于AT89C5131单片机和CPLD的USB接口用户专用键盘设计

摘要：随着时代的发展，科技的进步，以及某些特殊场合情况下控制模块的深入研究和快速发展，我们需要研究出一种满足用户可自定义按键功能要求的用户专用键盘模块。本设计采用带有USB微控制器单片机芯片AT89C5131为通信的控制核心，AT89C5131有较快的处理速度和较大的存储容量，还可以在系统编程，是USB接口设计的理想选择，通过编写单片机固件驱动程序和CPLD控制程序，将硬件构造模块化，应用至相关特殊行业中。

关键词：AT89C5131；CPLD；USB；键盘设计

中图分类号：TP368.11文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2013) 06-0000-02

随着时代的发展，科技的进步，以及某些特殊场合中情况下控制模块的深入研究和快速发展，我们需要研究出一种满足用户可自定义按键功能要求的用户专用键盘模块。在用户专用键盘模块上可按用户要求布局各种功能按键，在模块面板上与按键内印制功能指示说明，例如设备的“开”、“关”、“升”、“降”等功能，用户可根据指示说明的详细流程，进而进行操作键盘模块以控制设备。操作功能按键，按键键码由用户专用键盘发送至主机，主机返回对应点灯码或灭灯码控制用户专用键盘按键内部指示灯的亮、灭，同时主机接收键码调用对应函数控制外部设备以实现相应功能。

1用户专用键盘硬件设计

本次设计用户专用键盘模块主要由AT89C5131单片机、CPLD、EAO功能按键组成。AT89C5131单片机控制电路的主要功能是与主机进行通信，执行主机按键状态查询命令。因单片机GPIO口数量相对较少，故选择CPLD作为按键和按键指示灯的扩展电路，这样的选择更适合我们的用户专用键盘的扩展设计。

1.1单片机控制设计

AT89C5131单片机是ATMEL公司生产的基于52内核的高性能微处理器芯片。用户可以使用片上的Boot loader或FLASHAPI，通过USB接口或其他接口对FLASH存储器（32KB）和E2PROM存储器（1KB）进行ISP或者IAP编程。AT89C5131可满足USB2.0协议并兼容USB1.1协议，AT89C5131拥有1个控制端口、6个可编程端口，可支持控制、中断、同步与批量传输共4种传输方式，并且支持串行I/O接口模式以及Slave与Master的SPI接口模式。参照AT89C5131引脚定义图设计单片机控制电路，单片机控制电路见图1-1。

图1-1 单片机控制电路图

1.2CPLD控制设计

CPLD芯片采用成都华微公司生产的HWD240，该芯片可支持2.5V、3.3V和5V共三种IO口电压，GPIO口最大预留100个，核心电压为3.3V。CPLD按键、键灯扩展控制电路如图1-2所示。

图1-2 CPLD按键、键灯扩展控制电路图

1.3对外接口

USB是英文Universal Serial BUS（通用串行总线）的缩写，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。其最大的特点是支持热插拔和即插即用，当设备插入时，主机枚举到此设备并加载所需的驱动程序。目前，USB接口已逐渐代替了一些老式通信接口，例如串口、并口和PS/2口等。表1-1中列出了一些常用计算机接口，从表中数据可以比较出USB接口所具有的优点。

表1-1 常用计算机接口

接口种类接口数据格式接口传输速度接口最大支持设备数接口是否允许热插拔

RS232串行格式20Kbit/s2否

IEEE1394串行格式400Mbit/s，3.2Gbit/s63是

RS485串行格式10Mbit/s32否

并口并行格式8Mbit/s2个或8个否

USB串行格式1.5Mbit/s，12Mbit/s，480Mbit/s127是

2用户专用键盘模块功能实现

2.1单片机控制功能

整个程序的关键部分就是单片机的控制程序，它不仅仅负责与主机的之间的通信，还要与CPLD通信。当单片机与主机通信时单片机属于从控设备，与CPLD通信时单片机又是主控设备。

要使上述设计在工程应用中以及在操作中得以实现和运用，在硬件设计的基础上，还需要对接口进行相应的软件设计。AT89C5131的软件设计主要包括USB固件程序的设计，包括环境初始化、USB接口数据的收发以及功能按键的功能实现。采用C语言编程进行软件设计，最后通过FLIP软件下载至AT89C5131芯片中。

2.2CPLD控制功能

EAO功能按键的一端连接至可编程逻辑芯片HWD240的GPIO口，该端同时连接上拉电阻，EAO功能按键的另一端与信号地连接。当按键抬起时，上拉电阻将按键信号置高；当按键按下时，通过接地将按键信号置低。这时单片机由可编程逻辑芯片判断按键信号的高或低，从而确定功能按键的抬起或者按下状态。

因为可编程逻辑芯片HWD240的驱动能力有限，还需要通过达林顿驱动电路驱动功能按键内部指示灯（见图2-1）。指示灯信号端（LED）连接CPLD的GPIO口，指示灯另一端连接电源，在中间加达林顿反向驱动芯片FX2003以提高驱动能力。当指示灯信号是低电平时，熄灭指示灯；当指示灯信号是高电平时，点亮指示灯。

图2-1 达林顿反向驱动芯片FX2003

3结束语

本用户专用键盘模块可以满足不大于30个按键设计要求。运行HID检测软件SimpleHIDWrite，操作功能按键，软件可正确接收按键键码，由主机发送指示灯点灯码、灭灯码，可正常控制按键内指示灯的亮灭，由主机发送按键状态检测码，用户专用键盘模块可返回30个按键抬起或者按下状态码。经过多次操作功能按键、亮灭指示灯，USB接口通信正常，用户专用键盘模块运行可靠。经过高低温等试验证明，用户专用键盘模块性能可以满足用户自定义按键功能要求，可以将其推广到某些特殊行业现场操控环境的控制台中使用。

参考文献：

[1]李英伟.USB2.0原理与工程开发[M].北京:国防工业出版社,2007.

[2]ATMEL.AT89C5131,Full Speed USB device 8-bit Flash Microcontroller,2003.

[3]陈启美,丁传锁.计算机USB接口技术[M].南京:南京大学出版社,2003.

[4]汤竞南,沈国琴.51单片机C语言开发与实例[M].北京:人民邮电出版社,2008.

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