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[项目] 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[NUM_BYTES];

#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[9];
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[recvStrPtr++] = serialChar;
    if (recvStrPtr == 10) {
      for (uint8_t i = 0; i < 9; i++) {
        Serial0_write(recvStr[i]);
      }      
      if (recvStr[0] == KeyboardReportID) { // Keyboard
        USB_EP3_send(recvStr, 9);
      }
      if (recvStr[0] == MouseReportID) {
        USB_EP3_send(recvStr, 5); // Mouse
      }
      if (recvStr[0] == OnBoardLED) {
        set_pixel_for_GRB_LED(ledData, 0, recvStr[0], recvStr[1], recvStr[2]); 
        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();
    }
}
复制代码

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：

Byte0	Byte1	Byte2	Byte3	Byte4	Byte5	Byte6	Byte7
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：

Byte0	Byte1	Byte2	Byte3
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)
复制代码

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[i] = Data[i];
  }

  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
复制代码

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[10]; // 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[2048] = { 0x00 };// 存储设备实例ID
        TCHAR                                szFN[MAX_PATH] = { 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[10];
        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[0] = 2; // 鼠标
        Data[2] = 50;
        SendToComPort(Port,(char *)&Data);
        Sleep(300);
        Data[2] = 0; Data[3] = 50;
        SendToComPort(Port, (char*)&Data);
        Sleep(300);
        Data[2] = -50; Data[3] = 0x00;
        SendToComPort(Port, (char*)&Data);
        Sleep(300);
        Data[2] = 0; Data[3] = -50;
        SendToComPort(Port, (char*)&Data);
        Sleep(300);

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

        // 测试键盘数据
        memset(Data, 0, sizeof(Data));
        Data[0] = 1; // 键盘
        // 发送按键信息
        Data[2] = 0x04; 
        Data[3] = 0x0F; //'l'
        Data[4] = 0x04; //'a ' 
        Data[5] = 0x05; //'b'
        Data[6] = 0x1d; //'z'
        SendToComPort(Port, (char*)&Data);
        Sleep(300);
        memset(Data, 0, sizeof(Data));
        Data[0] = 1; // 键盘
        // 抬起按键
        SendToComPort(Port, (char*)&Data);
        Sleep(300);



        // 测试LED
        memset(Data, 0, sizeof(Data));
        Data[0] = 3; // LED
        Data[1] = 0xFF;
        SendToComPort(Port, (char*)&Data);
        Sleep(500);
        memset(Data, 0, sizeof(Data));
        Data[0] = 3; // LED
        Data[2] = 0xFF;
        SendToComPort(Port, (char*)&Data);
        Sleep(500);
        memset(Data, 0, sizeof(Data));
        Data[0] = 3; // LED
        Data[3] = 0xFF;
        SendToComPort(Port, (char*)&Data);
        Sleep(500);
        memset(Data, 0, sizeof(Data));
        Data[0] = 3; // LED
        SendToComPort(Port, (char*)&Data);
        Sleep(500);

EndProgram:
        printf("End\n");
}
复制代码