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2024年寒假练 - 基于RT1021的USB虚拟鼠标
该项目使用了RT1021，实现了USB虚拟鼠标的设计，它的主要功能为：触摸屏可以实现触摸板的效果，双轴电位器可以模拟出鼠标移动，旋钮可以控制缩放，电脑音量或者控制电脑屏幕亮度等参数。
标签
嵌入式系统
yekai
更新2024-03-29
150

平台介绍

本次使用的开发板为基于恩智浦iMX RT1021处理器的核心板和扩展版。RT1021是一颗性能强劲同时又极具性价比的处理器，基于Cortex-M7内核，可运行在500MHz频率，同时包含256K的SRAM，无内置Flash设计，程序存储在外挂的W25Q64上，可用空间高达8M。扩展板包含屏幕、摇杆等一系列外设，便于开发。

任务需求

本次我选择的任务是实现一个USB虚拟鼠标，主要实现了以下内容。

  • USB HID上报
  • 触摸屏的读取
  • 摇杆、编码器的使用

设计思路

触摸板、摇杆、编码器分别运行在各自线程中采集，有上报请求后通过消息队列向USB线程发送请求。

USB HID在单独的线程中运行，接收其他线程发送的上报请求。

具体实现

触摸屏的采集

触摸屏使用的是XPT2046，需要使用一个较低的SPI频率来读取。外设层我使用了RT-Thread的SPI设备模型。

    // 初始化
    auto ret = rt_hw_spi_device_attach("spi4", "spi40", GET_PIN(3, 5));
    if (ret != RT_EOK) {
        log_e("spi device attach failed");
        return;
    }
​
    auto spi_dev = (struct rt_spi_device *) rt_device_find("spi40");
    if (spi_dev == RT_NULL) {
        log_e("spi device not found");
        return;
    }
​
    struct rt_spi_configuration cfg;
    cfg.data_width = 8;
    cfg.mode = RT_SPI_MASTER | RT_SPI_MODE_0 | RT_SPI_MSB;
    cfg.max_hz = 1 * 1000 * 1000;                           /* 1M */
​
    rt_spi_configure(spi_dev, &cfg);
    // 读取
    rt_spi_send_then_recv(spi_dev, send_buf, 2, recv_buf, 2);

电阻屏的抖动还是蛮大的，时常总有一些偏差较大的意外的值，所以我们要进行一个滤波，取32个数据排序后仅取中间16个的平均

    uint8_t send_buf[2] = {0, 0};
    uint8_t recv_buf[2] = {0, 0};
    int32_t sample_x, sample_y, sample_x_sum, sample_y_sum;
    int32_t sample_x_buf[32], sample_y_buf[32];
    int32_t sample_x_cache{0}, sample_y_cache{0};
    uint8_t detect_log = 0;
    bool detected = false;
    bool isRelease = true;
    rt_tick_t press_time = 0;
    const auto click_threshold = 400;
    while (1) {
        detect_log <<= 1;
        detect_log |= detected;
        if (detect_log == 0) {
            if (!isRelease) {
                isRelease = true;
                log_d("release detected");
                if (rt_tick_get() - press_time < click_threshold) {
                    SendClick();
                    press_time = 0;
                }
            }
        } else if (detect_log & 0b111) {
            if (isRelease) {
                isRelease = false;
                log_d("press detected");
                press_time = rt_tick_get();
            }
        }
        // start to detect
        detected = false;
        for (int i = 0; i < 32; i++) {
            // x
            send_buf[0] = 0;
            send_buf[1] = 0xd0;
            recv_buf[0] = 0;
            recv_buf[1] = 0;
            rt_spi_send_then_recv(spi_dev, send_buf, 2, recv_buf, 2);
            sample_x = ((recv_buf[0] & 0x7F) << 8) | recv_buf[1];
            sample_x_buf[i] = sample_x;
            // y
            send_buf[0] = 0;
            send_buf[1] = 0x90;
            recv_buf[0] = 0;
            recv_buf[1] = 0;
            rt_spi_send_then_recv(spi_dev, send_buf, 2, recv_buf, 2);
            sample_y = ((recv_buf[0] & 0x7F) << 8) | recv_buf[1];
            sample_y_buf[i] = sample_y;
//            log_d("x: %d, y: %d", sample_x, sample_y);
            rt_thread_mdelay(1);
        }
        // sort sample buf and get the median 16 samples average
        const auto cmp_func = [](const void *a, const void *b) {
            return int(*(int32_t *) a - *(int32_t *) b);
        };
        std::qsort(sample_x_buf, 32, sizeof(int32_t), cmp_func);
        std::qsort(sample_y_buf, 32, sizeof(int32_t), cmp_func);
        sample_x_sum = 0;
        sample_y_sum = 0;
        for (int i = 8; i < 24; i++) {
            sample_x_sum += sample_x_buf[i];
            sample_y_sum += sample_y_buf[i];
        }
        sample_x = sample_x_sum / 16;
        sample_y = sample_y_sum / 16;
        if ((sample_x < 1000) || ((0x7FFF - 1000) < sample_x) ||
            (sample_y < 1000) || ((0x7FFF - 1000) < sample_y)) {
            continue;            // 边界外，丢弃
        }
        auto x_move = sample_x - sample_x_cache;
        auto y_move = sample_y - sample_y_cache;
        sample_x_cache = int32_t(sample_x);
        sample_y_cache = int32_t(sample_y);
        const auto move_max = 6000;
        if ((x_move < -move_max) || (x_move > move_max) || (y_move < -move_max) || (y_move > move_max)) {
            // 意外的大跳变，可能为抬起
//            log_i("release detected, x: %d, y: %d, dx: %d, dy: %d", sample_x, sample_y, x_move, y_move);
            continue;
        }
        // 抖动
        static const auto AvoidShake = [](int32_t &delta, int32_t threshold) {
            if (delta < threshold && delta > -threshold) {
                delta = 0;
            }
        };
        AvoidShake(x_move, 100);
        AvoidShake(y_move, 100);
        if (x_move == 0 && y_move == 0) {
            detected = true;
            continue;
        }
        detected = true;
        if ((rt_tick_get() - press_time > click_threshold) && (press_time != 0) && !isRelease) {
            SendMove(int8_t(x_move / 20), int8_t(-y_move / 20));
        }
//        log_i("x: %d, y: %d, dx: %d, dy: %d", sample_x, sample_y, x_move, y_move);
    }

编码器的采集

编码器使用ENC外设，直接拷贝了MCUXpresso Config Tools的初始化代码

    const auto ENC1_config = enc_config_t{
            .enableReverseDirection = false,
            .decoderWorkMode = kENC_DecoderWorkAsNormalMode,
            .HOMETriggerMode = kENC_HOMETriggerDisabled,
            .INDEXTriggerMode = kENC_INDEXTriggerDisabled,
            .enableTRIGGERClearPositionCounter = false,
            .enableTRIGGERClearHoldPositionCounter = false,
            .enableWatchdog = false,
            .watchdogTimeoutValue = 0,
            //  .filterPrescaler = kENC_FilterPrescalerDiv1,
            .filterCount = 5,
            .filterSamplePeriod = 1,
            .positionMatchMode = kENC_POSMATCHOnPositionCounterEqualToComapreValue,
            .positionCompareValue = 4294967295,
            .revolutionCountCondition = kENC_RevolutionCountOnINDEXPulse,
            .enableModuloCountMode = false,
            .positionModulusValue = 0,
            .positionInitialValue = 0,
    };
​
    ENC_Init(ENC1, &ENC1_config);

实际测试经常有非4的倍数的波，所以应用层还是要滤一下

    static const auto SetEncCnt = [](int32_t cnt) {
        ENC_SetInitialPositionValue(ENC1, cnt);
        ENC_DoSoftwareLoadInitialPositionValue(ENC1);
    };    
​
    while (1) {
        auto enc_cnt = static_cast<int32_t>(ENC_GetPositionValue(ENC1)) - init_value;
​
        static const auto signal_func = [](uint32_t cnt) {
            if (cnt == 0) {
                return;
            }
            switch (enc_mode) {
                case ZOOM:
                    SendZoom(int8_t(-cnt));
                    break;
                case VOLUME:
                    SendVolume(int8_t(-cnt));
                    break;
                case BRIGHTNESS:
                    SendBrightness(int8_t(-cnt));
                    break;
                default:
                    break;
            }
//            log_i("cnt: %d", cnt);
        };
​
        if (enc_cnt != 0) {
            if (enc_cnt == enc_cnt_cache) {
                // 稳定了
                enc_cnt_cache = INT32_MAX;
                signal_func(enc_cnt / 4);
                SetEncCnt(enc_cnt % 4 + init_value);
            } else {
                enc_cnt_cache = enc_cnt;
            }
        }
​
        button_ticks();
        rt_thread_mdelay(10);
    }

由于编码器需要支持3种模式，所以使用编码器的按键来切换，我简单的使用MultiButton

// 由于multi-button使用C风格的函数指针不能接收带有捕获的C++匿名函数，所以得用全局变量来传递
using enc_mode_t = enum {
    ZOOM,
    VOLUME,
    BRIGHTNESS
};
volatile enc_mode_t enc_mode = ZOOM;
​
#define enc_btn_pin GET_PIN(2,5)
    rt_pin_mode(enc_btn_pin, PIN_MODE_INPUT_PULLUP);
    auto m_btn = new button;
    button_init(m_btn, []() -> uint8_t {
        return rt_pin_read(enc_btn_pin);
    }, 0);
    button_attach(m_btn, PRESS_DOWN, [](void *args) {
        enc_mode = static_cast<enc_mode_t>((enc_mode + 1) % 3);
        log_i("press down, encoder mode change to %s",
              enc_mode == ZOOM ? "zoom" : (enc_mode == VOLUME ? "volume" : "brightness"));
    });
    button_start(m_btn);
​
    while (1) {
        ...
        button_ticks();
        rt_thread_mdelay(10);
    }

摇杆的采集

摇杆的接法蛮神奇，一路通过电阻分压接到ADC，同时两路一起接入运放震荡后接入IO。使用示波器抓波可知，一个方向调节占空比，一个方向调节频率。

中值

上下

左右

ADC初始化基本拷贝了MCUXpresso Config Tools的初始化代码

    // init adc for y
    const auto ADC1_config = adc_config_t{
            .enableOverWrite = false,
            .enableContinuousConversion = false,
            .enableHighSpeed = false,
            .enableLowPower = false,
            .enableLongSample = true,
            .enableAsynchronousClockOutput = true,
            .referenceVoltageSource = kADC_ReferenceVoltageSourceAlt0,
            .samplePeriodMode = kADC_SamplePeriodLong24Clcoks,
            .clockSource = kADC_ClockSourceAD,
            .clockDriver = kADC_ClockDriver8,
            .resolution = kADC_Resolution12Bit
    };
    ADC_Init(ADC1, &ADC1_config);
    ADC_EnableHardwareTrigger(ADC1, false);
    if (kStatus_Success != ADC_DoAutoCalibration(ADC1)) {
        log_w("adc auto calibration failed");
    }
    const auto adcChannelConfigStruct = adc_channel_config_t{
            .channelNumber = 0,
            .enableInterruptOnConversionCompleted = false
    };

由于一路可由ADC采集所得，所以我们只需要读出频率即可得知另一路。使用QTMR读取，基本拷贝了MCUXpresso Config Tools的初始化代码

    // init qtmr for y
    const qtmr_config_t TMR1_Channel_0_config = {
            .primarySource = kQTMR_ClockCounter0InputPin,
            .secondarySource = kQTMR_Counter0InputPin,
            .enableMasterMode = false,
            .enableExternalForce = false,
            .faultFilterCount = 0,
            .faultFilterPeriod = 10,
            .debugMode = kQTMR_RunNormalInDebug
    };
    /* Quad timer channel Channel_0 peripheral initialization */
    QTMR_Init(TMR1, kQTMR_Channel_0, &TMR1_Channel_0_config);
    /* Setup the Input capture mode of the timer channel */
    QTMR_SetupInputCapture(TMR1, kQTMR_Channel_0, kQTMR_Counter0InputPin,
                           false, false, kQTMR_NoCapture);
    /* Start the timer - select the timer counting mode */
    QTMR_StartTimer(TMR1, kQTMR_Channel_0, kQTMR_PriSrcRiseEdge);

上电后采集值作为中值

    int32_t x_mid_value = 0;
    int32_t y_mid_value = 0;
​
    rt_thread_mdelay(200);
​
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        QTMR_SetCurrentTimerCount(TMR1, kQTMR_Channel_0, 0);
        rt_thread_mdelay(100);
        y_mid_value += QTMR_GetCurrentTimerCount(TMR1, kQTMR_Channel_0);
        QTMR_SetCurrentTimerCount(TMR1, kQTMR_Channel_0, 0);
​
        ADC_SetChannelConfig(ADC1, 0, &adcChannelConfigStruct);
        while (0U == ADC_GetChannelStatusFlags(ADC1, 0)) {}
        x_mid_value += static_cast<int32_t>(ADC_GetChannelConversionValue(ADC1, 0));
    }
    x_mid_value /= 8;
    y_mid_value /= 8;
    log_i("x_mid_value: %d, y_mid_value: %d", x_mid_value, y_mid_value);

主循环中循环读取

    rt_thread_mdelay(100);
    while (1) {
        ADC_SetChannelConfig(ADC1, 0, &adcChannelConfigStruct);
        while (0U == ADC_GetChannelStatusFlags(ADC1, 0)) {}
        auto x = static_cast<int32_t>(ADC_GetChannelConversionValue(ADC1, 0));
//        log_i("ADC Value: %d", x);
        auto y = QTMR_GetCurrentTimerCount(TMR1, kQTMR_Channel_0);
        QTMR_SetCurrentTimerCount(TMR1, kQTMR_Channel_0, 0);
//        log_i("pulse cnt: %d", y);

        bool x_should_move{false}, y_should_move{false};
        int32_t dx = x - x_mid_value;
        int32_t dy = y - y_mid_value;
        if ((dx < -400) || (400 < dx)) {
            x_should_move = true;
        }
        if ((dy < -6) || (6 < dy)) {
            y_should_move = true;
        }
        if (x_should_move || y_should_move) {
            SendMove(x_should_move ? int8_t(dx / 100) : 0, y_should_move ? int8_t(-dy) : 0);
        }
        rt_thread_mdelay(100);
    }

USB上报

USB使用RT-Thread适配的TinyUSB，同时自己再适配一下RT1021

#include "fsl_clock.h"
#include "rtthread.h"
#include "device/usbd.h"

int tusb_board_init(void)
{
    // Clock
    CLOCK_EnableUsbhs0PhyPllClock(kCLOCK_Usbphy480M, 480000000U);
    CLOCK_EnableUsbhs0Clock(kCLOCK_Usb480M, 480000000U);

    USBPHY_Type* usb_phy;

    // RT105x RT106x have dual USB controller.
#ifdef USBPHY1
    usb_phy = USBPHY1;
#else
    usb_phy = USBPHY;
#endif

    // Enable PHY support for Low speed device + LS via FS Hub
    usb_phy->CTRL |= USBPHY_CTRL_SET_ENUTMILEVEL2_MASK | USBPHY_CTRL_SET_ENUTMILEVEL3_MASK;

    // Enable all power for normal operation
    usb_phy->PWD = 0;

    // TX Timing
    uint32_t phytx = usb_phy->TX;
    phytx &= ~(USBPHY_TX_D_CAL_MASK | USBPHY_TX_TXCAL45DM_MASK | USBPHY_TX_TXCAL45DP_MASK);
    phytx |= USBPHY_TX_D_CAL(0x0C) | USBPHY_TX_TXCAL45DP(0x06) | USBPHY_TX_TXCAL45DM(0x06);
    usb_phy->TX = phytx;

    NVIC_SetPriority(USB_OTG1_IRQn, NVIC_EncodePriority(NVIC_GetPriorityGrouping(), 4, 0));
    NVIC_EnableIRQ(USB_OTG1_IRQn);

    return 0;
}

void USB_OTG1_IRQHandler(void)
{
    /* enter interrupt */
    rt_interrupt_enter();
    dcd_int_handler(0);
    /* leave interrupt */
    rt_interrupt_leave();
}

同时解决一下RT-Thread 5.0.0更出来的坑，use rt-thread 5+ mq recv api by kaidegit · Pull Request #2473 · hathach/tinyusb (github.com)

等待接收消息队列后上报即可

using hid_msg_t = struct {
    hid_msg_type_t type;
    union {
        struct {
            int8_t x;
            int8_t y;
        } move;
        struct {
            int8_t zoom;
        } zoom;
        struct {
            int8_t volume;
        } volume;
        struct {
            int8_t brightness;
        } brightness;
    };
};

static struct rt_messagequeue hid_mq;
rt_align(4)
static hid_msg_t hid_mq_pool[20];
static struct rt_semaphore hid_sem;

void tud_hid_report_complete_cb(uint8_t instance, uint8_t const *report, uint8_t len) {
    (void) instance;
    (void) report;
    (void) len;

    rt_sem_release(&hid_sem);
}

extern "C" void hid_thread_entry(void *para) {
    // Init semaphore
    rt_sem_init(&hid_sem, "hid", 0, RT_IPC_FLAG_PRIO);

    auto ret = rt_mq_init(
            &hid_mq, "hid_mq",
            hid_mq_pool, sizeof(hid_msg_t),
            sizeof(hid_mq_pool), RT_IPC_FLAG_PRIO);
    if (ret != RT_EOK) {
        log_e("hid mq init failed %d", ret);
    }

    hid_msg_t hid_msg;
    while (1) {
        if (!tud_connect()) {
            rt_thread_mdelay(100);
            continue;
        }
        if (rt_mq_recv(&hid_mq, &hid_msg, sizeof(hid_msg), 100) > 0) {
            switch (hid_msg.type) {
                case HID_MSG_CLICK: {
                    log_i("click");
                    tud_hid_mouse_report(
                            REPORT_ID_MOUSE, MOUSE_BUTTON_LEFT,
                            0, 0, 0, 0);
                    rt_sem_take(&hid_sem, 100);
                    tud_hid_mouse_report(
                            REPORT_ID_MOUSE, 0,
                            0, 0, 0, 0);
                    rt_sem_take(&hid_sem, 100);
                }
                    break;
                case HID_MSG_MOVE: {
                    log_i("move: x: %d, y: %d", hid_msg.move.x, hid_msg.move.y);
                    tud_hid_mouse_report(
                            REPORT_ID_MOUSE, 0,
                            (int8_t) hid_msg.move.x, (int8_t) hid_msg.move.y, 0, 0);
                    rt_sem_take(&hid_sem, 100);
                }
                    break;
                case HID_MSG_ZOOM: {
                    log_i("zoom: %d", hid_msg.zoom.zoom);
                    tud_hid_keyboard_report(REPORT_ID_KEYBOARD, KEYBOARD_MODIFIER_LEFTCTRL, nullptr);
                    rt_sem_take(&hid_sem, 100);
                    tud_hid_mouse_report(REPORT_ID_MOUSE, 0, 0, 0, hid_msg.zoom.zoom, 0);
                    rt_sem_take(&hid_sem, 100);
                    tud_hid_keyboard_report(REPORT_ID_KEYBOARD, 0, nullptr);
                    rt_sem_take(&hid_sem, 100);
                }
                    break;
                case HID_MSG_VOLUME: {
                    log_i("volume: %d", hid_msg.volume.volume);
                    uint16_t volume_report = HID_USAGE_CONSUMER_VOLUME_INCREMENT;
                    uint16_t dummy = 0;
                    if (hid_msg.volume.volume < 0) {
                        volume_report = HID_USAGE_CONSUMER_VOLUME_DECREMENT;
                        hid_msg.volume.volume = -hid_msg.volume.volume;
                    }
                    for (int i = 0; i < hid_msg.volume.volume; i++) {
                        tud_hid_report(REPORT_ID_CONSUMER_CONTROL, &volume_report, 2);
                        rt_sem_take(&hid_sem, 100);
                        tud_hid_report(REPORT_ID_CONSUMER_CONTROL, &dummy, 2);
                        rt_sem_take(&hid_sem, 100);
                    }
                }
                    break;
                case HID_MSG_BRIGHTNESS: {
                    log_i("brightness: %d", hid_msg.brightness.brightness);
                    uint16_t brightness_report = HID_USAGE_CONSUMER_BRIGHTNESS_INCREMENT;
                    uint16_t dummy = 0;
                    if (hid_msg.brightness.brightness < 0) {
                        brightness_report = HID_USAGE_CONSUMER_BRIGHTNESS_DECREMENT;
                        hid_msg.brightness.brightness = -hid_msg.brightness.brightness;
                    }
                    for (int i = 0; i < hid_msg.brightness.brightness; i++) {
                        tud_hid_report(REPORT_ID_CONSUMER_CONTROL, &brightness_report, 2);
                        rt_sem_take(&hid_sem, 100);
                        tud_hid_report(REPORT_ID_CONSUMER_CONTROL, &dummy, 2);
                        rt_sem_take(&hid_sem, 100);
                    }
                }
                    break;
                default:
                    log_w("unknown hid msg type");
                    break;
            }
        }
    }
    rt_sem_detach(&hid_sem);
}

消息内容均从其他线程调用此类函数上报

void SendClick() {
    auto *msg = new hid_msg_t;
    msg->type = HID_MSG_CLICK;
    rt_mq_send(&hid_mq, reinterpret_cast<const void *>(msg), sizeof(hid_msg_t));
    delete msg;
}

实现的效果

触摸板移动

缩放

音量

亮度

摇杆移动

具体可见视频

遇到的问题及解决方案

  • TinyUSB的OSAL支持由于RT Thread在5.0.0改了接口返回值导致了一些问题，已经给TinyUSB提交了PR
  • RT-Thread的bsp也是一堆问题，改了改ld，拿MCUXpresso Config Tools重新生成了下配置。
  • 触摸屏采样数据不太稳定，滤波后还算可以

总结

RT-Thread的愿景很美好，但bsp的审核不太严格，导致了bsp的体验好多都存在问题。在较为稳定后再更改api的操作也比较降低兼容性。毕竟是开源项目，有坑也不担责是吧，修一修还是能用的。加入RTOS的开发让各部分更加独立清晰，更易阅读。

附件下载
eetree_rt1021_rtt.7z
源码
rtthread.elf
固件
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