#第九届立创电赛#USB条码枪功能扩展 - 立创电子设计大赛

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第九届立创电子设计开源大赛

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LGPL 3.0

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<div class="document"> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 1、项目功能介绍</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 条形码已经成为当今生活中密不可分的一部分，它因为实现简单价格低廉的原因，广泛用于用于商品销售，工矿企业的物料管理等等方面。 通常人们使用条码枪来进行条码的读取。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/NMzPbp2WZZ2KArJKnObkwoRfI2ipahkIGPI8FLrG.jpeg" alt="" width="468" height="312"> 这种设备插入电脑后通常会将自身模拟为键盘，这样可以在光标处直接键入扫描到的条码；同样的，它也可以切换为串口设备，这样能够通过应用程序读取到扫描到的条码。但是，目前为止我还没有见过同时模拟为键盘和串口设备的条码枪。而在生产中，我们希望在指定的位置输入条码同时后台也能从串口读取到条码。 这次制作的设备就是一个可以使得USB条码枪同时实现USB键盘和串口设备的设计。将USB条码枪插入这次的设备后，再将设备接入主机后，主机端会出现 USB键盘和 USB串口。当使用条码枪扫描到条码后，一方面会以键盘的形式键入条码，另外一方面，你可以使用应用程序进行串口通讯，从串口获得条码。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*2、项目属性</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 原创，首次公开。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 3、开源协议</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> LGPL 请在竞赛阶段填写 ↓ <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*4、硬件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 整体设计分为2部分，第一部分是要实现从USB口读取条码枪的输入。这里使用 CH554 来实现。CH554一款兼容MCS51指令集的增强型E8051内核单片机，最高24MHz系统主频，内置16K程序存储器ROM和256字节内部iRAM以及1K 字节片内xRAM，xRAM支持DMA直接内存存取。 CH554内置了ADC模数转换、触摸按键电容检测、3组定时器和信号捕捉及PWM、双异步串口、SPI等功能模块，支持USB-Host主机模式和USB-Device设备模式。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/IGBdM3DJeamPUMpf3bzLb934fywy62ZSPLozCjb6.jpeg" alt="" width="544" height="258"> 我们这次的设计就是使用到了它提供的USB Host 功能。选择Ch554e 这是MSOP10封装，体积非常小。对应电路如下，就是一个最小系统，通过USB 母头连接USB条码枪，对外通过串口进行通讯： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ysHseNIXunNMD7WDYSg4x9C6gH6ZcDPeRWsAhuIf.png" alt="" width="624" height="421"> 另外一部分是 ESP32-S3, S3 带有 USB 接口，能够方便的实现USB设备的模拟。同样电路设计非常简单，外围只是让它能够工作的电容和电阻： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ixDN9UANgx1LbXY32mCXaLKFxFlEJlCPz2gq9IxP.png" alt="" width="624" height="397"> 最终的 PCB设计如下： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/cUoVpqIW3IaGQ4GqG5W44BYxNIMZBjCbdGiihj9S.png" alt="" width="624" height="465"> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*5、软件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 基本设计思路是：CH554 作为 USB Host 负责解析USB条码枪的数据，然后通过串口将数据发送给 ESP32-S3。后者负责模拟一个USB键盘一个 USB CDC 设备。每次收到条码数据先从USB键盘发送给主机，然后将条码数据同时存放在内存中等待上位机通过串口进行查询。 Ch554的关键代码： /* 操作HID复合设备 */ loc = SearchTypeDevice( USB_DEV_CLASS_HID ); // 在ROOT-HUB以及外部HUB各端口上搜索指定类型的设备所在的端口号 if ( loc != 0xFFFF ){ // 找到了 printf( "Query USB_DEV_CLASS_HID @%04X\n", loc ); loc = (UINT8)loc; //554只有一个USB，只需低八位即可 for(k=0;k!=4;k++) { //端点是否有效？ endp = loc ? DevOnHubPort[loc-1].GpVar[k] : ThisUsbDev.GpVar[k]; // 中断端点的地址,位7用于同步标志位 if ( (endp & USB_ENDP_ADDR_MASK) == 0 ) break; printf("endp: %02X\n",(UINT16)endp); SelectHubPort( loc ); // 选择操作指定的ROOT-HUB端口,设置当前USB速度以及被操作设备的USB地址 s = USBHostTransact( USB_PID_IN << 4 | endp & 0x7F, endp & 0x80 ? bUH_R_TOG | bUH_T_TOG : 0, 0 );// CH554传输事务,获取数据,NAK不重试 if ( s == ERR_SUCCESS ){ endp ^= 0x80; // 同步标志翻转 if ( loc ) DevOnHubPort[loc-1].GpVar[k] = endp; // 保存同步标志位 else ThisUsbDev.GpVar[k] = endp; len = USB_RX_LEN; // 接收到的数据长度 if ( len ){ printf("keyboard data: "); for ( i = 0; i < len; i ++ ){ printf("x%02X ",(UINT16)(RxBuffer[i]) ); } printf("\n"); IsSame=TRUE; for ( i = 0; i < len; i ++ ){ if (LastBuffer[i]!=RxBuffer[i]) { IsSame=FALSE; LastBuffer[i]=RxBuffer[i]; } } //只有与前一次不同才进行输出 if (IsSame==FALSE) { checksum=0x00; CH554UART1SendByte(0x57);CH554UART1SendByte(0xAB);CH554UART1SendByte(0x88);CH554UART1SendByte(len+3);CH554UART1SendByte(0x10); for ( i = 0; i < len; i ++ ){ CH554UART1SendByte(RxBuffer[i]); checksum=checksum+RxBuffer[i]; } checksum=checksum+counter; CH554UART1SendByte(counter); CH554UART1SendByte(checksum); counter++; } } } else if ( s != ( USB_PID_NAK | ERR_USB_TRANSFER ) ){ printf("keyboard error %02x\n",(UINT16)s); // 可能是断开了 } } SetUsbSpeed( 1 ); // 默认为全速 } 每次收到的USB数据会和上一次的进行比较，只有不同的时候才会从串口发送出去。同时，发送的数据使用和 Ch9350相同的格式，波特率为 1500000： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/MooW6HpMHSMDzkDMtFqELnbKlaLDmm8p1KRCRHM4.png" alt="" width="624" height="384"> ESP32-S3 代码主要部分如下： 1. 收取键盘输出，分析每一个 scancode,然后通过ScanCode2Ascii() 函数转换为 ascii码，放入OneInput 中。在试验中可以看到，条码枪的输出是以字符为单位的。比如，对于条码 “123”，是会有三笔有效的数据输出，分别输出 “1” “2” “3”,而不是在一笔中输出。下面处理后，会将这三笔数据合成为 ascii 字符串 “123” //如果是键盘 if (Data[i + 4] == 0x10) { if (DEBUGMODE) { Serial0.print("ASCII:["); // 输出键盘的有效键值部分 for (int j = 3; j < Length - 2; j++) { uint8_t Asc = ScanCode2Ascii(Data[i + 3 + 1], Data[i + 3 + j]); if (Asc != 0) { Serial0.write(Asc); } } Serial0.println("]"); } // 数据搬移，处理每一个键盘的数据包 for (int j = 3; j < Length - 2; j++) { // 只处理可见的 ASCII uint8_t Asc = ScanCode2Ascii(Data[i + 3 + 1], Data[i + 3 + j]); if (Asc != 0) { if (Asc == 0x13) { // 特别处理回车键 OneInput[OneLength] = 0x0D; OneLength++; OneInput[OneLength] = 0x0A; OneLength++; } else { // 取出输入放入Buffer OneInput[OneLength] = Asc; OneLength++; } // 开始计时 Elsp = millis(); 2. 完整的条码数据处理。如果200ms内没有再收到数据，我们认为这一次的条码扫描结束。完整的条码数据在OneInput[] 中，我们使用USB 键盘功能直接输出到主机，同时放置在缓冲区中等待上位机通过 USB串口取走： // 如果200ms内无输入，说明一组条码输入完成 if ((Elsp != 0) && (millis() - Elsp > INTERVALPERCODE)) { if (DEBUGMODE) { Serial0.print("Barcode:"); Serial0.println(OneInput); Serial0.print("Lenth:"); Serial0.println(strlen(OneInput)); } // 给字符串赋予一个结尾 0 OneInput[OneLength] = 0; for (int i=0;i<strlen(OneInput);i++) { Keyboard.press(OneInput[i]); delay(10); Keyboard.release(OneInput[i]); delay(10); } // 将Barcode放入缓冲中，+1是给0的 memcpy(&InputBuffer[LastData], OneInput, strlen(OneInput) + 1); IndexCounter++; Index[IndexCounter] = LastData + strlen(OneInput) + 1; LastData = Index[IndexCounter]; OneLength = 0; Elsp = 0; } 3. 串口设计。板子上有2个串口，Serial0用于烧写和调试，Serial1用于和Ch554的通讯；此外，还有一个模拟出来的USB CDC ，用于和应用程序通讯。定义了几个命令：首先是“1”，这是用于调试的命令，收到后 ESP32-S3会返回缓冲区数据用于调试；然后是“n”,用于返回当前缓冲区中记录的条码数量；“g”是返回当前记录中的第一个条码的命令，需要注意执行之后，对应的条码会从缓冲区中移除。此外，还有命令“l”，会返回 “z”，这是用于识别设备。 // Serial0 用于 Debug 的几个命令 while (Serial.available()) { char c = Serial.read(); if (c == '1') { // 输出当前记录的条码数量 Serial.print("IndexCounter:"); Serial.println(IndexCounter); for (int i = 0; i < IndexCounter; i++) { Serial.print(i); Serial.print(':'); Serial.println(&InputBuffer[Index[i]]); } // 输出缓冲区保存的条码 for (int i = 0; i < 96; i++) { if (InputBuffer[i] < 10) { Serial.print("0"); } Serial.print(InputBuffer[i], HEX); Serial.print(' '); if (((i + 1) % 16 == 0) && (i != 1)) { Serial.println(""); } } <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*6、BOM清单</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*7、大赛LOGO验证</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/o8H2dKZj1KQgi2zDbvYmeHVIZv7dvefrR1EJBhQF.png" alt="" width="831" height="600"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/VavdqpheZhoKkT0S8sLdkgyIsfoBRi6frLL6dVsg.png" alt="" width="800" height="600"> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 8、演示您的项目并录制成视频上传</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 视频要求：请横屏拍摄，分辨率不低于1280×720，格式Mp4/Mov，单个视频大小限100M内； 视频标题：立创电赛：{项目名称}-{视频模块名称}；如立创电赛：《自动驾驶》-团队介绍。 <a href="/posts/de460543d4cf4dacb5f0326612455578" target="_blank">前往查看更多详情＞</a> </div>