Arduino + USB Host Sheild 实现USB鼠标转PS/2接口

制作缘由

公司内网只有PS/2接口，希望可以使用无线鼠标（貌似没有PS/2接口的）。而那种USB转PS/2的转接头只是简单的连线，需要键盘或鼠标本身支持PS/2模式才可以正常工作，现代的USB鼠标接收器显然没有考虑这一点。无意中发现有人用Arduino制作过USB键盘转PS/2的装置，那么鼠标一定也可以。这个装置，从原理上来说，就是一个转发器。对于USB鼠标（非蓝牙无线鼠标对主机来说仍是USB鼠标，和有线的没啥区别），他是一个主机，接收来自鼠标的数据；对于真正的主机，他是一个PS/2鼠标，负责向其发送转换过的数据。

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PS/2部分

物理接口

如下图，实际有用的只有4根线，1 - Data：用于传输数据（双向）；5 - Clock：用于向主机发送脉冲，控制读写数据；3 - Ground：接地；4 - Vcc (+5V) ：电源。其中1和2可以接在Arduino任意的数字引脚上（但要避开USB Host Sheild占用的那些引脚，我实际使用的是2号、3号引脚），而3和4分别接在Arduino的5V和GND引脚上，这样不用额外供电，连到主机的PS/2接口就能正常工作。

数据传输（1位）

设备 > 主机 ：由设备控制Clock以产生脉冲，首先，设置Data为要发送的位（高/低电平表示1/0），同时保持Clock为高电平一段时间，然后拉低Clock为低电平，产生一个下降沿，通知主机读取（锁存）Data，继续保持Clock为低电平一段时间后释放Clock（恢复为高电平，为传输下1位数据做准备）。。

主机 > 设备：仍然由设备控制Clock脉冲。当主机拉低Data或Clock时表示想要向设备发送（命令）数据，此时设备应该停止发送数据，优先读取来自主机的数据，待主机释放Clock（变为高电平）时，表示设备可以开始读入数据。首先，设备让Clock保持高电平一段时间，然后拉低Clock，产生一个下降沿，通知主机设置Data，继续保持Clock为低电平一段时间后，释放Clock为高电平（此时设备可以锁存当前Data，并且准备读入下1位数据）

数据传输（1字节）

每传输1字节数据，需要额外附带起始位（0），奇校验位，停止位（1），共11位

代码实现

最初在Arduino官方网站找到了一个叫做ps2dev的示例代码，里面的PS2dev类看上去实现了单个字节的读写，但是版本过于老旧。后来发现这个ps2dev已经是Arduino的一个库了，在库管理器中就可以搜索安装，但还是不够新，存在一些问题。他的最新版本在这里 https://github.com/Harvie/ps2dev，其中简单模拟鼠标的例子在某些时候会死循环出不来，我的修正已经被作者合并进去了。进一步地，为了提高通讯速度，我修改了时钟频率以及发送单个字节的间隔，目前工作正常。：）

鼠标协议

总的来说，主机向鼠标发送各种命令，以设置或询问鼠标的状态或参数；而鼠标呢，除了答复来自主机的命令，就是向主机发送位移数据包（处于Stream模式并且“数据报告”使能状态下，可以主动上报）；更具体的可以参考网上的文档。（有中文版哦，搜索“PS2 鼠标 键盘技术参考”）下面列出我抓到的命令序列：

19:44:22.522 -> process_cmd FF       重置命令，进入Reset模式，重置各种状态，回复自检完成、设备ID，进入Steam模式
19:44:22.556 -> process_cmd F2       询问设备ID，首次询问应该回复00（标准鼠标），但我一律回复的03（滚轮鼠标）也没事哦
19:44:22.556 -> process_cmd E8       设置解析度
19:44:22.556 -> set resolution 0        读取解析度，1count/mm
19:44:22.556 -> process_cmd E6       设置缩放比例1:1
19:44:22.556 -> process_cmd E6       设置缩放比例1:1 
19:44:22.556 -> process_cmd E6       设置缩放比例1:1，为啥连续发了3次？
19:44:22.556 -> process_cmd E9       询问鼠标状态，此时应该回复3字节的状态包
19:44:22.556 -> process_cmd E8       设置解析度
19:44:22.589 -> set resolution 3        读取解析度，8count/mm
19:44:22.589 -> process_cmd F3       设置采样率
19:44:22.589 -> set sample rate 200  读取采样率 200/sec
19:44:22.589 -> process_cmd F3       设置采样率
19:44:22.589 -> set sample rate 100  读取采样率 100/sec
19:44:22.589 -> process_cmd F3       设置采样率
19:44:22.589 -> set sample rate 80    读取采样率 80/sec，注意，当主机按此顺序设置采样率，表示他支持03鼠标（滚轮鼠标）
19:44:22.589 -> process_cmd F2       询问设备ID，此时应该回复03，如果鼠标支持的话
19:44:27.052 -> process_cmd FF       重置命令
19:44:27.052 -> process_cmd F2       询问设备ID
19:44:27.052 -> process_cmd E8       设置解析度
19:44:27.052 -> set resolution 0        读取解析度，1count/mm
19:44:27.052 -> process_cmd E6       设置缩放比例1:1
19:44:27.052 -> process_cmd E6       设置缩放比例1:1
19:44:27.052 -> process_cmd E6       设置缩放比例1:1，同样的，为啥连续发了3次？我猜可能有含义的。
19:44:27.086 -> process_cmd E9       询问鼠标状态，此时应该回复3字节的状态包
19:44:27.086 -> process_cmd E8       设置解析度
19:44:27.086 -> set resolution 3        读取解析度，8count/mm
19:44:27.086 -> process_cmd F3       设置采样率
19:44:27.086 -> set sample rate 200  读取采样率 200/sec
19:44:27.086 -> process_cmd F3       设置采样率
19:44:27.086 -> set sample rate 100  读取采样率 100/sec
19:44:27.086 -> process_cmd F3       设置采样率
19:44:27.086 -> set sample rate 80    读取采样率 80/sec，为啥又来一遍？囧
19:44:27.086 -> process_cmd F2       询问设备ID，此时应该回复03，如果鼠标支持的话
19:44:27.120 -> process_cmd F3       设置采样率
19:44:27.120 -> set sample rate 200  读取采样率 200/sec
19:44:27.120 -> process_cmd F3       设置采样率
19:44:27.120 -> set sample rate 200  读取采样率 200/sec
19:44:27.120 -> process_cmd F3       设置采样率
19:44:27.120 -> set sample rate 80    读取采样率 80/sec，注意，当主机按此顺序设置采样率，表示他支持04鼠标（5键滚轮）
19:44:27.120 -> process_cmd F2       询问设备ID，此时应该回复04，如果鼠标支持的话，但是我没有。：）
19:44:27.120 -> process_cmd F3       设置采样率
19:44:27.120 -> set sample rate 100  读取采样率 100/sec
19:44:27.120 -> process_cmd E8       设置解析度
19:44:27.154 -> set resolution 3        读取解析度，8count/mm
19:44:27.154 -> process_cmd F4        使能“数据报告”，下面鼠标就可以开始主动上报“位移数据包”了。。

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USB部分

使用USB Host Shield扩展板（采用MAX3421E芯片，支持USB2.0），加上USB Host Shield 2.0（它也是Arduino的一个库），最新版本在这里 https://github.com/felis/USB_Host_Shield_2.0，只要继承HIDUniversal类并且覆盖虚函数ParseHIDData就能得到HID设备的数据（数据格式可用USBBlyzer分析）。实际使用中发现，如果本次数据和上次的完全一致，则不会调用ParseHIDData。（比如同方向滚动滚轮，后面的都被忽略了）只需略微修改hiduniversal.cpp，已提合并请求，作者暂时没理我。^_^ （我的修改见 https://github.com/felis/USB_Host_Shield_2.0/pull/522）

USB是一种主从结构，只有当主机向设备发送IN令牌包（见上述库中 USB::InTransfer）时，设备才可以向主机发送数据。在鼠标设备内部，分为USB芯片（用于与USB主机通讯）和MCU（用于执行鼠标固件程序）。当检测到鼠标状态变化（比如按键按下或发生移动），MCU将状态数据写入USB芯片的缓冲区，待收到IN令牌包时由USB芯片将数据发给主机。如果主机请求数据速度过慢会怎样？我猜数据会丢失？从目前能找到的固件程序代码看，都是直接向芯片缓冲区写数据的，并没有额外的处理。或许当缓冲区满了之后，合并后续数据会好一点？

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鼠标回报率

也就是上面提到的采样率。

PS/2理论上支持：10、20、40、60、80、100、200。我的主机最终设置的值为100，目前USB部分耗时2ms，PS/2部分耗时6-7ms，已经可以满足。曾经试过把时钟频率调的更快、发送单个字节的间隔改的更短，没成功。：（

USB1.1支持：125

USB2.0支持：250、500、1000

考虑到USB和PS/2收发速率可能不匹配，所以实现了一个循环队列用于存放来自USB鼠标的数据，并尽可能地将新的数据与队尾元素合并。但是，实际测试中，队列长度从未超过1并且合并函数从未被调用，即便在loop()中尝试读取多次USB数据再向PS/2发送也是如此，Why？可能是因为我的USB鼠标只有125的回报率吧。

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呼吸灯

为了了解转换器的工作状态（以及更炫酷一点），额外加了一个全彩LED灯在盒子顶部。繁忙时，以红色快速闪烁；而空闲时，则以绿色缓慢呼吸；

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最终成品

完整源代码在这里 https://github.com/liumazi/MzMouse

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参考资料

https://www.zhihu.com/question/46855816/answer/619886526

https://www.arduino.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=22851

http://www.burtonsys.com/ps2_chapweske.htm

http://usb.baiheee.com/usb_projects/easy_usb_51_programer_plus/usb_hid_mouse.html

https://blog.csdn.net/suipingsp/article/details/30238891