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      基于單片機和FPGA的人機交互系統(tǒng)的設(shè)計

      2010-06-05 10:47:44鹿璇,曉,
      電子設(shè)計工程 2010年9期
      關(guān)鍵詞:液晶顯示字符鍵盤

      鹿 璇, 宋 曉, 杜 沖

      (武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430079)

      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(shè)計領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越大的作用。FPGA作為單片機外設(shè)的接口芯片,可以大大簡化接口電路,通過對FPGA進行編程,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)為控制核心,以液晶顯示控制器T6963C為例,結(jié)合行掃描鍵盤,簡述了一種人機交互功能的設(shè)計。

      1 系統(tǒng)設(shè)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(yīng)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(fù)雜,依然采用單片機控制LCD,使LCD的各種功能得到最大程度的利用,其系統(tǒng)框圖如圖 1所示[1]。

      圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Block diagram of system

      2 硬件電路及FPGA接口設(shè)計

      2.1 總線接口設(shè)計

      這里采用單片機C8051F020與CycloneⅡFPGA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(shè)有幾項關(guān)鍵性的改進,提高了整體性能,更易于在最終應(yīng)用中使用。如提供22個中斷源、7個復(fù)位源、可編程交叉開關(guān)、8位A/D轉(zhuǎn)換器、12位D/A轉(zhuǎn)換器等[2]。

      CycloneⅡ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[3]。CycloneⅡ系列成功實現(xiàn)了高效與低功耗的結(jié)合,可用于自動化、通信、視頻播放等領(lǐng)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最大的開發(fā),將單片機的高端口,即P4~P7接入FPGA,并通過FPGA對外部設(shè)備進行訪問。在FPGA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。

      圖2 總線模塊Fig.2 Bus module

      2.2 T6963C及其接口設(shè)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)[4]。

      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(shè)備訪問形式進行控制;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進行控制。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。FS1為高時,LCD顯示6×8字符;FS1為低時,LCD顯示8×8字符。經(jīng)實踐,在顯示英文與數(shù)字時,6×8字符更為美觀;在顯示中文字符時,8×8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進行控制,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(shè)計

      鍵盤是常用的單片機輸入設(shè)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最多的是非編碼鍵盤,本系統(tǒng)設(shè)計在FPGA中編程實現(xiàn)3×6鍵盤的行掃描。

      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,鍵抖動會引起一次按鍵被誤讀多次,所以必須進行去抖處理,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(yīng)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(shè)計

      軟件設(shè)計遵循結(jié)構(gòu)化和層次化的設(shè)計原則[5]。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(yīng)功能,從而使上層函數(shù)與硬件環(huán)境徹底分開。當(dāng)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(qū)動模塊的編程設(shè)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)之前都需要進行查忙。T6963C的狀態(tài)字共有7位有效的狀態(tài)位,如表1所示[4]。其中STA1~STA3最為常用,一般情況下可以不需要對STA5~STA7進行查忙的程序。

      表1 T6963C的狀態(tài)字Tab.1 Status word of T6963C

      3.1.1 液晶驅(qū)動模塊的初始化

      T6963C的最大特點是具有獨特的硬件初始值設(shè)置功能,顯示驅(qū)動所需的參數(shù)如占空比系數(shù)。驅(qū)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(shè)置,這樣T6963C的初始化在上電時就已經(jīng)基本設(shè)置完成,軟件操作的重心就可以全部用于顯示畫面的設(shè)計上[6]。因此,初始化時僅需根據(jù)實際情況設(shè)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(biāo)形狀等即可正常使用。

      液晶驅(qū)動模塊的初始化函數(shù)如下:

      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,因此進行英文的顯示時,只需指定顯示的地址,再輸入該字符對應(yīng)的標(biāo)號即可。漢字的顯示與英文的顯示類似。然而出于其復(fù)雜性,一個漢字需要使用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進行完美顯示。

      對于一串英文字符的輸入,可以利用字符串的特性進行操作。通過檢測‘

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