Arduino + USB Host Sheild 實現USB鼠標轉PS/2接口

製作緣由

公司內網只有PS/2接口，希望可以使用無線鼠標（貌似沒有PS/2接口的）。而那種USB轉PS/2的轉接頭只是簡單的連線，需要鍵盤或鼠標本身支持PS/2模式纔可以正常工作，現代的USB鼠標接收器顯然沒有考慮這一點。無意中發現有人用Arduino製作過USB鍵盤轉PS/2的裝置，那麼鼠標一定也可以。這個裝置，從原理上來說，就是一個轉發器。對於USB鼠標（非藍牙無線鼠標對主機來說仍是USB鼠標，和有線的沒啥區別），他是一個主機，接收來自鼠標的數據；對於真正的主機，他是一個PS/2鼠標，負責向其發送轉換過的數據。

PS/2部分

物理接口

如下圖，實際有用的只有4根線，1 - Data：用於傳輸數據（雙向）；5 - Clock：用於向主機發送脈衝，控制讀寫數據；3 - Ground：接地；4 - Vcc (+5V) ：電源。其中1和2可以接在Arduino任意的數字引腳上（但要避開USB Host Sheild佔用的那些引腳，我實際使用的是2號、3號引腳），而3和4分別接在Arduino的5V和GND引腳上，這樣不用額外供電，連到主機的PS/2接口就能正常工作。

數據傳輸（1位）

設備 > 主機：由設備控制Clock以產生脈衝，首先，設置Data爲要發送的位（高/低電平表示1/0），同時保持Clock爲高電平一段時間，然後拉低Clock爲低電平，產生一個下降沿，通知主機讀取（鎖存）Data，繼續保持Clock爲低電平一段時間後釋放Clock（恢復爲高電平，爲傳輸下1位數據做準備）。。

主機 > 設備：仍然由設備控制Clock脈衝。當主機拉低Data或Clock時表示想要向設備發送（命令）數據，此時設備應該停止發送數據，優先讀取來自主機的數據，待主機釋放Clock（變爲高電平）時，表示設備可以開始讀入數據。首先，設備讓Clock保持高電平一段時間，然後拉低Clock，產生一個下降沿，通知主機設置Data，繼續保持Clock爲低電平一段時間後，釋放Clock爲高電平（此時設備可以鎖存當前Data，並且準備讀入下1位數據）

數據傳輸（1字節）

每傳輸1字節數據，需要額外附帶起始位（0），奇校驗位，停止位（1），共11位

代碼實現

最初在Arduino官方網站找到了一個叫做ps2dev的示例代碼，裏面的PS2dev類看上去實現了單個字節的讀寫，但是版本過於老舊。後來發現這個ps2dev已經是Arduino的一個庫了，在庫管理器中就可以搜索安裝，但還是不夠新，存在一些問題。他的最新版本在這裏 https://github.com/Harvie/ps2dev，其中簡單模擬鼠標的例子在某些時候會死循環出不來，我的修正已經被作者合併進去了。進一步地，爲了提高通訊速度，我修改了時鐘頻率以及發送單個字節的間隔，目前工作正常。：）

鼠標協議

總的來說，主機向鼠標發送各種命令，以設置或詢問鼠標的狀態或參數；而鼠標呢，除了答覆來自主機的命令，就是向主機發送位移數據包（處於Stream模式並且“數據報告”使能狀態下，可以主動上報）；更具體的可以參考網上的文檔。（有中文版哦，搜索“PS2 鼠標鍵盤技術參考”）下面列出我抓到的命令序列：

19:44:22.522 -> process_cmd FF 重置命令，進入Reset模式，重置各種狀態，回覆自檢完成、設備ID，進入Steam模式
19:44:22.556 -> process_cmd F2 詢問設備ID，首次詢問應該回復00（標準鼠標），但我一律回覆的03（滾輪鼠標）也沒事哦
19:44:22.556 -> process_cmd E8 設置解析度
19:44:22.556 -> set resolution 0 讀取解析度，1count/mm
19:44:22.556 -> process_cmd E6 設置縮放比例1:1
19:44:22.556 -> process_cmd E6 設置縮放比例1:1
19:44:22.556 -> process_cmd E6 設置縮放比例1:1，爲啥連續發了3次？
19:44:22.556 -> process_cmd E9 詢問鼠標狀態，此時應該回復3字節的狀態包
19:44:22.556 -> process_cmd E8 設置解析度
19:44:22.589 -> set resolution 3 讀取解析度，8count/mm
19:44:22.589 -> process_cmd F3 設置採樣率
19:44:22.589 -> set sample rate 200 讀取採樣率 200/sec
19:44:22.589 -> process_cmd F3 設置採樣率
19:44:22.589 -> set sample rate 100 讀取採樣率 100/sec
19:44:22.589 -> process_cmd F3 設置採樣率
19:44:22.589 -> set sample rate 80   讀取採樣率 80/sec，注意，當主機按此順序設置採樣率，表示他支持03鼠標（滾輪鼠標）
19:44:22.589 -> process_cmd F2 詢問設備ID，此時應該回復03，如果鼠標支持的話
19:44:27.052 -> process_cmd FF 重置命令
19:44:27.052 -> process_cmd F2 詢問設備ID
19:44:27.052 -> process_cmd E8 設置解析度
19:44:27.052 -> set resolution 0 讀取解析度，1count/mm
19:44:27.052 -> process_cmd E6 設置縮放比例1:1
19:44:27.052 -> process_cmd E6 設置縮放比例1:1
19:44:27.052 -> process_cmd E6 設置縮放比例1:1，同樣的，爲啥連續發了3次？我猜可能有含義的。
19:44:27.086 -> process_cmd E9 詢問鼠標狀態，此時應該回復3字節的狀態包
19:44:27.086 -> process_cmd E8 設置解析度
19:44:27.086 -> set resolution 3 讀取解析度，8count/mm
19:44:27.086 -> process_cmd F3 設置採樣率
19:44:27.086 -> set sample rate 200 讀取採樣率 200/sec
19:44:27.086 -> process_cmd F3 設置採樣率
19:44:27.086 -> set sample rate 100 讀取採樣率 100/sec
19:44:27.086 -> process_cmd F3 設置採樣率
19:44:27.086 -> set sample rate 80   讀取採樣率 80/sec，爲啥又來一遍？囧
19:44:27.086 -> process_cmd F2 詢問設備ID，此時應該回復03，如果鼠標支持的話
19:44:27.120 -> process_cmd F3 設置採樣率
19:44:27.120 -> set sample rate 200 讀取採樣率 200/sec
19:44:27.120 -> process_cmd F3 設置採樣率
19:44:27.120 -> set sample rate 200 讀取採樣率 200/sec
19:44:27.120 -> process_cmd F3 設置採樣率
19:44:27.120 -> set sample rate 80   讀取採樣率 80/sec，注意，當主機按此順序設置採樣率，表示他支持04鼠標（5鍵滾輪）
19:44:27.120 -> process_cmd F2 詢問設備ID，此時應該回復04，如果鼠標支持的話，但是我沒有。：）
19:44:27.120 -> process_cmd F3 設置採樣率
19:44:27.120 -> set sample rate 100 讀取採樣率 100/sec
19:44:27.120 -> process_cmd E8 設置解析度
19:44:27.154 -> set resolution 3 讀取解析度，8count/mm
19:44:27.154 -> process_cmd F4 使能“數據報告”，下面鼠標就可以開始主動上報“位移數據包”了。。

USB部分

使用USB Host Shield擴展板（採用MAX3421E芯片，支持USB2.0），加上USB Host Shield 2.0（它也是Arduino的一個庫），最新版本在這裏 https://github.com/felis/USB_Host_Shield_2.0，只要繼承HIDUniversal類並且覆蓋虛函數ParseHIDData就能得到HID設備的數據（數據格式可用USBBlyzer分析）。實際使用中發現，如果本次數據和上次的完全一致，則不會調用ParseHIDData。（比如同方向滾動滾輪，後面的都被忽略了）只需略微修改hiduniversal.cpp，已提合併請求，作者暫時沒理我。^_^ （我的修改見 https://github.com/felis/USB_Host_Shield_2.0/pull/522）

USB是一種主從結構，只有當主機向設備發送IN令牌包（見上述庫中 USB::InTransfer）時，設備纔可以向主機發送數據。在鼠標設備內部，分爲USB芯片（用於與USB主機通訊）和MCU（用於執行鼠標固件程序）。當檢測到鼠標狀態變化（比如按鍵按下或發生移動），MCU將狀態數據寫入USB芯片的緩衝區，待收到IN令牌包時由USB芯片將數據發給主機。如果主機請求數據速度過慢會怎樣？我猜數據會丟失？從目前能找到的固件程序代碼看，都是直接向芯片緩衝區寫數據的，並沒有額外的處理。或許當緩衝區滿了之後，合併後續數據會好一點？

鼠標回報率

也就是上面提到的採樣率。

PS/2理論上支持：10、20、40、60、80、100、200。我的主機最終設置的值爲100，目前USB部分耗時2ms，PS/2部分耗時6-7ms，已經可以滿足。曾經試過把時鐘頻率調的更快、發送單個字節的間隔改的更短，沒成功。：（

USB1.1支持：125

USB2.0支持：250、500、1000

考慮到USB和PS/2收發速率可能不匹配，所以實現了一個循環隊列用於存放來自USB鼠標的數據，並儘可能地將新的數據與隊尾元素合併。但是，實際測試中，隊列長度從未超過1並且合併函數從未被調用，即便在loop()中嘗試讀取多次USB數據再向PS/2發送也是如此，Why？可能是因爲我的USB鼠標只有125的回報率吧。

呼吸燈

爲了瞭解轉換器的工作狀態（以及更炫酷一點），額外加了一個全綵LED燈在盒子頂部。繁忙時，以紅色快速閃爍；而空閒時，則以綠色緩慢呼吸；

最終成品