基于單片機和FPGA的人機交互系統(tǒng)的設(shè)計

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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