單片機和FPGA 的人機交互系統(tǒng)的設計

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 單片機和FPGA 的人機交互系統(tǒng)的設計 在儀器儀表電路中，人機交互界面是必不可少的環(huán)節(jié)。為了解決單純采用單片機制作的系統(tǒng)功耗高、速度慢、電路構造繁瑣的問題，同時為了發(fā)揮出單片機的靈活性和FPGA 的高速性，系統(tǒng)采用C8051F020 單片機和CycloneFPGA 作為系統(tǒng)， 設計實現(xiàn)了鍵盤、LCD 等人機交互功能， 同時預留了部分I/O 接口作為擴展接口使用。采用FPGA 掃描鍵盤可以極大程度地節(jié)省單片機的資源，利用單片機和FPGA 共同控制LCD 可以更好地表達出人機交互的特色。 在現(xiàn)代各類儀器的開發(fā)中，人機交互功能正起著無可替代的作用。人機交互界面友好的儀

2、器將更容易操作和使用，從而提高工作效率。液晶顯示器（LCD）具有功耗低、價格低、壽命長、接口控制方便等特點，在科研與設計領域正發(fā)揮著越來越大的作用。FPGA 作為單片機外設的接口芯片，可以大大簡化接口電路，通過對FPGA 開展編程，可以實現(xiàn)常用的譯碼、地址選通等功能。 本文以C8051F020 單片機與FPGA 互連系統(tǒng)為控制，以液晶顯示控制器T6963C 為例，結合行掃描鍵盤，簡述了一種人機交互功能的設計。 1 系統(tǒng)設計方案： FPGA 可在很大程度上擴展單片機的資源，然而人機交互功能仍應盡量減少對單片機及FPGA 的資源消耗， 以便將更多的片內(nèi)資源用于其他功能的擴展。采用FPGA 掃描鍵盤

3、可以節(jié)省單片機的資源， 同時也能靈活地實現(xiàn)鍵盤的擴展。而考慮到液晶控制較復雜， 依然采用單片機控制LCD，使LCD 的各種功能得到的利用，其系統(tǒng)框圖如圖1 所示。 2 硬件電路及FPGA 接口設計： 2.1 總線接口設計： 這里采用單片機C8051F020 與Cyclone FPGA 互連的系統(tǒng)。C8051F020 器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有64 個數(shù)字I/O 引腳，與8051 完全兼容，而且速度得到了極大提高，70%的指令執(zhí)行時間為1 或2 個系統(tǒng)時鐘周期，只有4 條指令的執(zhí)行時間大于4 個系統(tǒng)時鐘周期。此外，C8051F020 系列MCU 對CIP-51 內(nèi)核和外設有幾

4、項關鍵性的改良，提高了整體性能，更易于在終應用中使用。如提供22 個中斷源、7 個復位源、可編程交叉開關、8 位A/D 轉換器、12 位D/A 轉換器等。 Cyclone系列FPGA 將低功耗FPGA 的密度規(guī)模擴展至68 416 個邏輯單元，并提供高達622 個可用的I/O 接口以及高達1.1 Mb 的片內(nèi)存儲單元。Cyclone系列成功實現(xiàn)了高效與低功耗的結合，可用于自動化、通信、視頻播放等領域。為兼顧成本問題， 本系統(tǒng)采用性價比較高的EP2C8 型FPGA 作為接口器件。 為使單片機的資源可以得到的開發(fā)，將單片機的高端口，即P4P7 接入FPGA，并通過FPGA 對外部設備開展訪問。在F

5、PGA 中通過Verilog HDL 語言編程實現(xiàn)了3-8 譯碼器，從而實現(xiàn)了對單片機地址總線的擴展。該3-8 譯碼器對LCD 以及鍵盤的鍵值讀取提供使能信號，如圖2 所示。 2.2 T6963C 及其接口設計： T6963C 液晶顯示控制器多用于小規(guī)模的液晶顯示器件，常被裝配在圖形液晶顯示模塊上，以內(nèi)藏控制器型圖形液晶顯示模塊的形式出現(xiàn)。 單片機對T6963C 有2 種訪問方式： 直接訪問與間接訪問。直接訪問利用三總線以I/O 設備訪問形式開展控制；間接訪問則由單片機提供并行接口，以程序控制時序的方式開展控制。為簡化程序，這里采用直接訪問方式。 該LCM 的FS1 引腳用于控制顯示字符的字體

6、。FS1 為高時，LCD 顯示68 字符；FS1 為低時，LCD 顯示88 字符。經(jīng)實踐，在顯示英文與數(shù)字時，68 字符更為美觀；在顯示中文字符時，88 字符更為方便。一般系統(tǒng)采用將FS1 接地或接高的方式來固定字體，而本系統(tǒng)采用P2.1 對FS 開展控制，通過改變地址實現(xiàn)改變字體的功能，使得界面的顯示更靈活。 2.3 鍵盤電路設計： 鍵盤是常用的單片機輸入設備，分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。鍵盤上閉合鍵的識別由專用硬件譯碼器實現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編號或鍵值的稱為編碼鍵盤；靠軟件識別的稱為非編碼鍵盤。在單片機組成的測控系統(tǒng)及智能化儀器中使用多的是非編碼鍵盤，本系統(tǒng)設計在FPGA 中編程實現(xiàn)36 鍵盤的行掃

7、描。 由于按鍵的機械特性，在閉合和斷開的瞬間會伴隨著一連串的抖動，鍵抖動會引起按鍵被誤讀多次，所以必須開展去抖處理，常用的方法為延時去抖動。FPGA 產(chǎn)生鍵值之后向單片機發(fā)送中斷，并等待單片機讀取鍵值。由于人腦反應時間相對較長， 鍵盤中斷可以處于相對較低的優(yōu)先級，因此本文將鍵盤中斷接于外部中斷7。 3 軟件設計： 軟件設計遵循構造化和層次化的設計原則。底層函數(shù)直接與硬件溝通，而上層函數(shù)直接通過調(diào)用底層函數(shù)來實現(xiàn)相應功能，從而使上層函數(shù)與硬件環(huán)境徹底分開。當硬件環(huán)境發(fā)生變化時，僅修改底層函數(shù)便能實現(xiàn)程序的移植。 3.1 液晶驅動模塊的編程設計： 本模塊的底層函數(shù)需要實現(xiàn)寫控制字、寫參數(shù)、查忙等功

8、能。由于采用直接訪問，寫控制字與寫參數(shù)的函數(shù)只需向控制口或數(shù)據(jù)口的地址送數(shù)即可。由于LCD 是慢速器件，因此在每次寫控制字及寫參數(shù)之前都需要開展查忙。T6963C的狀態(tài)字共有7 位有效的狀態(tài)位，如下表1 所示。其中STA1STA3 為常用，一般情況下可以不需要對STA5STA7 開展查忙的程序。 3.1.1 液晶驅動模塊的初始化： T6963C 的特點是具有獨特的硬件初始值設置功能，顯示驅動所需的參數(shù)如占空比系數(shù)。驅動傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)/行及字符的字體選擇等均由引腳電平設置， 這樣T6963C 的初始化在上電時就已經(jīng)基本設置完成，軟件操作的重心就可以全部用于顯示畫面的設計上。因此，初始化時僅需根據(jù)實

9、際情況設置文本區(qū)域和圖形區(qū)域的首地址和寬度， 以及CGRAM 偏置地址、合成方式、光標形狀等即可正常使用。 液晶驅動模塊的初始化函數(shù)如下： void LcdInitial（void） LcdWriteDataD（0 x00，0 x00，0 x40）； /設置文本區(qū)域首地址為0000H LcdWriteDataD（0 x20，0 x00，0 x41）； /設置文本區(qū)域寬度為20H 字節(jié) LcdWriteDataD（0 x00，0 x04，0 x42）； /設置圖形區(qū)域首地址為0400H LcdWriteDataD（0 x20，0 x00，0 x43）； /設置圖形區(qū)域寬度為20H 字節(jié) LcdW

10、riteDataD（0 x03，0 x00，0 x22）； /設置CGRAM 偏置地址，顯示存儲器的首地址為1800H LcdWriteDataN（0 xa7）； /光標形狀設置為87 LcdWriteDataN （0 x80）； /啟用內(nèi)部字符發(fā)生器，邏輯“或”合成 LcdWriteDataN（0 x9c）； /開文本和圖形顯示，禁用光標 LcdClear（3）； /清屏 3.1.2 英文及漢字的文本顯示： 由于英文及數(shù)字等常用字符的字模已經(jīng)固化在CGROM中，因此開展英文的顯示時，只需指定顯示的地址，再輸入該字符對應的標號即可。漢字的顯示與英文的顯示類似。然而出于其復雜性，一個漢字需要使用

11、4 組點陣才能完整顯示。在初始化后將漢字的4 部分字模順序輸入CGRAM 中， 在使用時僅需計算好每一部分的顯示地址即可對漢字開展完美顯示。 對于一串英文字符的輸入， 可以利用字符串的特性開展操作。通過檢測0字符來判斷英文字符串的結尾，從而防止了在調(diào)用此顯示函數(shù)時人工計算句子長度的工作。英文字符的ASCII碼值與其在CGROM 中對應的標號恰相差0 x20，因此僅需簡單的減法即可實現(xiàn)標號的轉換。此外，在開展英文的連續(xù)顯示時，使用了T6963C 的數(shù)據(jù)自動寫指令，從而提高了顯示效率。 對于一串中文的顯示，則僅需通過循環(huán)調(diào)用單個中文的顯示程序開展實現(xiàn)。注意由于C51 語言中字符串無法支持中文，因此

12、必須人工計算中文字串的長度并將其作為函數(shù)傳遞給此顯示函數(shù)。 字符發(fā)生器CGRAM 中總共可存儲32 個漢字，對于需顯示較多漢字的應用， 可從需顯示的漢字中選出16 個常用的漢字，固定存放于CGRAM 中，其余漢字僅在需要使用時動態(tài)寫入CGRAM。這樣， 既提高了顯示效率， 又解決了CGRAM 過小的問題。 3.1.3 圖形顯示： 除使用文本顯示漢字外，還可采用圖形顯示的方式。具體方式是將字模以數(shù)組的方式保存于單片機的代碼段，在需要顯示時將數(shù)據(jù)送入圖形區(qū)即可。此外，利用圖形顯示，還可以編寫描點程序顯示相應波形或者編寫繪圖程序繪制簡易表格，使系統(tǒng)顯示結果更加直觀，便于分析。 3.1.4 文本特效：

13、 T6963C 可以設置文本屬性區(qū)，并對文本實現(xiàn)反白、正向閃爍、反向閃爍等特效。使用時僅需將圖形顯示設置為文本屬性區(qū)即可。此時圖形區(qū)的內(nèi)容將無法顯示，若圖形區(qū)與文本屬性區(qū)劃分在CGRAM 的不同區(qū)域，則圖形區(qū)的內(nèi)容可以得到保存。利用文本特效，可通過反白或閃爍等效果指示可選選項以及當前選項，從而使界面更易于操作。 3.2 人機交互界面設計： 除基本的10 個數(shù)字鍵以外，還設定了上、下、左、右、確定、取消等按鍵。此外，按鍵位置的設計，更符合人們的按鍵習慣。在界面中采用分級的菜單， 在菜單中選定功能之后將進入下菜單對功能開展更詳細的設定。在人機交互界面中可以使用方向鍵開展功能的選擇，數(shù)字鍵僅用于數(shù)據(jù)的輸入。 界面充分利用了文本特效，對選項采用反向顯示表示該選項已選定；對選項采用反向閃爍表示用戶可通過方向鍵改變選項。在需要開展數(shù)字輸入的界面中打開光標，即可向用戶標示數(shù)字輸入的地方。此外，必要的警告和出錯界面的設計將為