做一个真实的虚拟键盘鼠标 DF创客社区

zoologist 发表于 2024-12-23 09:21:09

做一个真实的虚拟键盘鼠标

广大工矿企业在日常生产生活中，经常会遇到需要虚拟键盘和鼠标的场景。通常的解决方法是使用软件进行模拟。但是软件模拟经常会遇到安全软件误杀等等情况。为了解决这种问题，这次带来的制作是一个于CH552开发的虚拟键盘鼠标项目。它是基于CH554Arduino 环境开发的设备，插上之后，系统中会出现一个 USB串口，一个USB 键盘，一个USB 鼠标，我们将数据从串口送进设备，然后设备将收到的串口数据直接转发到键盘鼠标对应的端口上，从而实现鼠标键盘操作。首先进行硬件的设计，电路图如下：图片1 电路图图片中上方是一个CH554 的最小电路图，他是WCH出品的一款兼容MCS51指令集的增强型E8051内核单片机。带有256 字节内部iRAM，可以用于快速数据暂存以及堆栈；1KB 片内xRAM，可以用于大量数据暂存以及DMA直接内存存取。16KB 容量的可多次编程的非易失存储器ROM，可以全部用于程序存储空间；或者可以分为14KB 程序存储区和2KB引导代码BootLoader/ISP程序区。更特别的是其内嵌USB 控制器和USB 收发器，支持USB-Host 主机模式和USB-Device 设备模式，支持USB type-C主从检测，支持USB 2.0全速12Mbps或者低速1.5Mbps。支持最大64字节数据包，内置FIFO，支持DMA。这里使用的型号为CH554E， MSOP-10 封装，体积非常小便于整体设备小型化。为了调试方便，预留了P2是UART输出。此外，还有一个 WS2812B LED 可以实现多种颜色的灯效。PCB 设计如下：图片2 PCB 设计3D 预览如下图片3 正面预览
图片4 背面预览
在实际使用中，只需要焊接CH554最小系统部分即可实现USB 串口转键盘鼠标功能，其余部分可以不上件。这次的设计尺寸是根据透明U盘外壳来的，在制作时选择 0.8mm PCB, 刚好能够放入外壳中。硬件设计完成之后就可以进行代码的编写了。主要代码如下：
#include <WS2812.h>
#include "src/CdcHidCombo/USBCDC.h"
#include "src/CdcHidCombo/USBHIDKeyboardMouse.h"

#define NUM_LEDS 1
#define COLOR_PER_LEDS 3
#define NUM_BYTES (NUM_LEDS*COLOR_PER_LEDS)

__xdata uint8_t ledData;

#define KeyboardReportID 0x01
#define MouseReportID 0x02
#define OnBoardLED    0x03

// Data format
// Keyboard(Total 9 bytes)： 01(ReportID 01) + Keyboard data (8 Bytes)
// Mouse(Total 5 bytes)： 02(ReportID 02) + Mouse Data (4 Bytes)
uint8_t recvStr;
uint8_t recvStrPtr = 0;
unsigned long Elsp;

void setup() {
USBInit();
Serial0_begin(115200);
delay(1000);
Serial0_print("start");
Elsp=0;
}

void loop() {
while (USBSerial_available()) {
uint8_t serialChar = USBSerial_read();
recvStr = serialChar;
if (recvStrPtr == 10) {
   for (uint8_t i = 0; i < 9; i++) {
   Serial0_write(recvStr);
   }
   if (recvStr == KeyboardReportID) { // Keyboard
   USB_EP3_send(recvStr, 9);
   }
   if (recvStr == MouseReportID) {
   USB_EP3_send(recvStr, 5); // Mouse
   }
   if (recvStr == OnBoardLED) {
   set_pixel_for_GRB_LED(ledData, 0, recvStr, recvStr, recvStr);
   neopixel_show_P1_5(ledData, NUM_BYTES);
   }
   recvStrPtr = 0;
}
Elsp=millis();
}
// If there is no data in 100ms, clear the receive buffer
if (millis()-Elsp>100) {
   recvStrPtr = 0;
   Elsp=millis();
}
}
每次收取10字节串口数据，如果第一字节为KeyboardReportID，那么直接将9个字节从端点3发送给主机；如果第一字节是MouseReportID，那么直接将5个字节从端点3发送给主机；如果第一字节为 OnBoardLED，那么将后续3个字节合成为一个颜色信息，然后通过neopixel_show_P1_5() 函数将数据从 P1.5 引脚发送给WS2812。USB 设备信息在USBconstant.c文件中有描述。其中包含了USB CDC 设备/USB 键盘/USB鼠标的描述符。其中的USB 键盘/USB鼠标使用端点3 OUTPUT。对于键盘鼠标的HID 描述符，在USBconstant.c文件的ReportDescriptor[]的结构体中。使用的是标准的键盘鼠标描述符。键盘数据为8字节长：
Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4Byte5Byte6Byte7
特殊按键NA数据0数据1数据2数据3数据4数据5

鼠标数据为4字节长：
Byte0Byte1Byte2Byte3
左右中键X轴数据Y轴数据滚轮数据

需要特别注意的是：键盘鼠标都是通过端点3发送给主机的，他们使用 Report ID 进行区分，在 ReportDescriptor[]中有如下定义： 0x09, 0x06,    // USAGE (Keyboard)
0xa1, 0x01,    // COLLECTION (Application)
0x85, 0x01,    // REPORT_ID (1)
0x05, 0x07,    // USAGE_PAGE (Keyboard)
0x19, 0xe0,    // USAGE_MINIMUM (Keyboard LeftControl)
…….
0x09, 0x02,    // USAGE (Mouse)
0xa1, 0x01,    // COLLECTION (Application)
0x09, 0x01,    // USAGE (Pointer)
0xa1, 0x00,    // COLLECTION (Physical)
0x85, 0x02,    // REPORT_ID (2)
0x05, 0x09,    // USAGE_PAGE (Button)
就是说，设备通过端点3发送给主机的数据，如果是 0x01+ 8个字节的数据，主机会当作键盘数据来处理；如果是0x02+4个字节的数据，主机则会当作鼠标数据来处理。上面的代码中，USB串口，收到数据之后，将9字节和5字节发送给主机即可实现键盘和鼠标的操作了。端点3的发送代码在 USB_EP3_send()函数中，可以看到对于CH554 来说，USB的发送操作非常明确简单，要发送的数据直接填充到Ep3Buffer[]中，然后设定 UEP3_T_LEN 寄存器要发送的数据长度，再设定 UEP3_CTRL 寄存器就完成了了发送。这对于USB初学者非常友好，代码直接对应硬件动作，通俗易懂。
// 将所有数据放入 EP3 准备发送
for (__data uint8_t i = 0; i < Len; i++) { // load data for upload
Ep3Buffer = Data;
}

UEP3_T_LEN = Len; // data length
UpPoint3_Busy = 1;
UEP3_CTRL = UEP3_CTRL & ~MASK_UEP_T_RES |
         UEP_T_RES_ACK; // upload data and respond ACK

上位机代码：// CDC_vKBMSTest.cpp : This file contains the 'main' function. Program execution begins and ends there.
//

#include <windows.h>
#include <SetupAPI.h>
#include <tchar.h>
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <atlstr.h>

#pragma comment(lib, "Setupapi.lib")

#define MY_USB_PID_VID _T("VID_1209&PID_C55C")

class ComPortException : public std::exception {
public:
ComPortException(DWORD errorCode) : errorCode(errorCode) {}

DWORD getErrorCode() const {
return errorCode;
}

private:
DWORD errorCode;
};

// 对串口portName 发送数据
// 无法打开串口返回 1
// 无法设置串口参数 2
void SendToComPort(const int port, const char* data) {
int Result = 0;
HANDLE hCom = INVALID_HANDLE_VALUE;
TCHAR portName; // 用于存储 "COMp" 字符串

// 将整数 p 转换为 "COMp" 字符串
#ifdef UNICODE
swprintf(portName, 10, _T("\\\\.\\COM%d"), port);
#else
sprintf(portName, "COM%d", port);
#endif
try {
// 打开串口
hCom = CreateFile(portName,
GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
0,
NULL,
OPEN_EXISTING,
0,
NULL);

if (hCom == INVALID_HANDLE_VALUE) {
throw ComPortException(GetLastError());
}

// 设置串口参数
DCB dcb;
SecureZeroMemory(&dcb, sizeof(DCB));
dcb.DCBlength = sizeof(DCB);

if (!GetCommState(hCom, &dcb)) {
throw ComPortException(GetLastError());
}

dcb.BaudRate = CBR_115200;// 波特率
dcb.ByteSize = 8;       // 数据位
dcb.StopBits = ONESTOPBIT; // 停止位
dcb.Parity = NOPARITY; // 校验位

if (!SetCommState(hCom, &dcb)) {
throw ComPortException(GetLastError());
}

// 设置超时参数
COMMTIMEOUTS timeouts;
timeouts.ReadIntervalTimeout = 50;
timeouts.ReadTotalTimeoutConstant = 50;
timeouts.ReadTotalTimeoutMultiplier = 10;
timeouts.WriteTotalTimeoutConstant = 50;
timeouts.WriteTotalTimeoutMultiplier = 10;

if (!SetCommTimeouts(hCom, &timeouts)) {
throw ComPortException(GetLastError());
}

// 发送数据
DWORD bytesWritten;
if (!WriteFile(hCom, data, 10, &bytesWritten, NULL)) {
std::cerr << "Failed to write to COM port." << std::endl;
}
else {
std::cout << "Successfully sent data to COM port: [" << port << "]" << std::endl;
}
// 关闭串口
if (hCom != INVALID_HANDLE_VALUE) {
CloseHandle(hCom);
}
}
catch (const ComPortException& ex) {
std::cerr << "Error: " << ex.getErrorCode() << std::endl;
if (hCom != INVALID_HANDLE_VALUE) {
CloseHandle(hCom);
}
}

}

/************************************************************************/
/* 根据USB描述信息字符串中读取
/************************************************************************/
int MTGetPortFromVidPid(CString strVidPid)
{
// 获取当前系统所有使用的设备
int nPort = -1;
int nStart = -1;
int nEnd = -1;
int i = 0;
CString strTemp, strName;
DWORD dwFlag = (DIGCF_ALLCLASSES | DIGCF_PRESENT);
HDEVINFO hDevInfo = INVALID_HANDLE_VALUE;
SP_DEVINFO_DATA sDevInfoData;
TCHAR szDis = { 0x00 };// 存储设备实例ID
TCHAR szFN = { 0x00 };// 存储设备实例属性
DWORD nSize = 0;

// 准备遍历所有设备查找USB
hDevInfo = SetupDiGetClassDevs(NULL, L"USB", NULL, dwFlag);
if (INVALID_HANDLE_VALUE == hDevInfo)
goto STEP_END;

// 开始遍历所有设备
memset(&sDevInfoData, 0x00, sizeof(SP_DEVICE_INTERFACE_DATA));
sDevInfoData.cbSize = sizeof(SP_DEVINFO_DATA);
for (i = 0; SetupDiEnumDeviceInfo(hDevInfo, i, &sDevInfoData); i++)
{
nSize = 0;

// 无效设备
if (!SetupDiGetDeviceInstanceId(hDevInfo, &sDevInfoData, szDis, sizeof(szDis), &nSize))
goto STEP_END;

// 根据设备信息寻找VID PID一致的设备
strTemp.Format(_T("%s"), szDis);
strTemp.MakeUpper();
if (strTemp.Find(strVidPid, 0) == -1)
continue;

// 查找设备属性
nSize = 0;
SetupDiGetDeviceRegistryProperty(hDevInfo, &sDevInfoData,
SPDRP_FRIENDLYNAME,
0, (PBYTE)szFN,
sizeof(szFN),
&nSize);

// "XXX Virtual Com Port (COM7)"
strName.Format(_T("%s"), szFN);
if (strName.IsEmpty())
//goto STEP_END;
continue;

// 寻找串口信息
nStart = strName.Find(_T("(COM"), 0);
nEnd = strName.Find(_T(")"), 0);
if (nStart == -1 || nEnd == -1)
//goto STEP_END;
continue;

strTemp = strName.Mid(nStart + 4, nEnd - nStart - 2);
nPort = _ttoi(strTemp);

}
STEP_END:

// 关闭设备信息集句柄
if (hDevInfo != INVALID_HANDLE_VALUE)
{
SetupDiDestroyDeviceInfoList(hDevInfo);
hDevInfo = INVALID_HANDLE_VALUE;
}

return nPort;
}

int main()
{
int Port;
char Data;
printf("Virutal KB MS Test\n");
Port = MTGetPortFromVidPid(MY_USB_PID_VID);
if (Port == -1) {
printf("No device is found\n");
goto EndProgram;
}
else {
printf("Found COM%d\n",Port);
}
Sleep(5000);

// 测试鼠标移动
memset(Data,0,sizeof(Data));
Data = 2; // 鼠标
Data = 50;
SendToComPort(Port,(char *)&Data);
Sleep(300);
Data = 0; Data = 50;
SendToComPort(Port, (char*)&Data);
Sleep(300);
Data = -50; Data = 0x00;
SendToComPort(Port, (char*)&Data);
Sleep(300);
Data = 0; Data = -50;
SendToComPort(Port, (char*)&Data);
Sleep(300);

// 测试键盘数据
memset(Data, 0, sizeof(Data));
Data = 1; // 键盘
// 发送GUI信息
Data = 0x08;
SendToComPort(Port, (char*)&Data);
Sleep(1000);
memset(Data, 0, sizeof(Data));
Data = 1; // 键盘
SendToComPort(Port, (char*)&Data);
Sleep(300);

// 测试键盘数据
memset(Data, 0, sizeof(Data));
Data = 1; // 键盘
// 发送按键信息
Data = 0x04;
Data = 0x0F; //'l'
Data = 0x04; //'a '
Data = 0x05; //'b'
Data = 0x1d; //'z'
SendToComPort(Port, (char*)&Data);
Sleep(300);
memset(Data, 0, sizeof(Data));
Data = 1; // 键盘
// 抬起按键
SendToComPort(Port, (char*)&Data);
Sleep(300);

// 测试LED
memset(Data, 0, sizeof(Data));
Data = 3; // LED
Data = 0xFF;
SendToComPort(Port, (char*)&Data);
Sleep(500);
memset(Data, 0, sizeof(Data));
Data = 3; // LED
Data = 0xFF;
SendToComPort(Port, (char*)&Data);
Sleep(500);
memset(Data, 0, sizeof(Data));
Data = 3; // LED
Data = 0xFF;
SendToComPort(Port, (char*)&Data);
Sleep(500);
memset(Data, 0, sizeof(Data));
Data = 3; // LED
SendToComPort(Port, (char*)&Data);
Sleep(500);

EndProgram:
printf("End\n");
}
工作的测试视频在:
https://www.bilibili.com/video/BV1k8k4YxE8s/

zoologist 发表于 2024-12-23 09:30:45

本文提到的电路图

本文提到的 Arduino 代码：

本问题到的VS2019 代码：

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