单片机和FPGA 的人机交互系统的设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 单片机和FPGA 的人机交互系统的设计 在仪器仪表电路中，人机交互界面是必不可少的环节。为了解决单纯采用单片机制作的系统功耗高、速度慢、电路构造繁琐的问题，同时为了发挥出单片机的灵活性和FPGA 的高速性，系统采用C8051F020 单片机和CycloneFPGA 作为系统， 设计实现了键盘、LCD 等人机交互功能， 同时预留了部分I/O 接口作为扩展接口使用。采用FPGA 扫描键盘可以极大程度地节省单片机的资源，利用单片机和FPGA 共同控制LCD 可以更好地表达出人机交互的特色。 在现代各类仪器的开发中，人机交互功能正起着无可替代的作用。人机交互界面友好的仪

2、器将更容易操作和使用，从而提高工作效率。液晶显示器（LCD）具有功耗低、价格低、寿命长、接口控制方便等特点，在科研与设计领域正发挥着越来越大的作用。FPGA 作为单片机外设的接口芯片，可以大大简化接口电路，通过对FPGA 开展编程，可以实现常用的译码、地址选通等功能。 本文以C8051F020 单片机与FPGA 互连系统为控制，以液晶显示控制器T6963C 为例，结合行扫描键盘，简述了一种人机交互功能的设计。 1 系统设计方案： FPGA 可在很大程度上扩展单片机的资源，然而人机交互功能仍应尽量减少对单片机及FPGA 的资源消耗， 以便将更多的片内资源用于其他功能的扩展。采用FPGA 扫描键盘

3、可以节省单片机的资源， 同时也能灵活地实现键盘的扩展。而考虑到液晶控制较复杂， 依然采用单片机控制LCD，使LCD 的各种功能得到的利用，其系统框图如图1 所示。 2 硬件电路及FPGA 接口设计： 2.1 总线接口设计： 这里采用单片机C8051F020 与Cyclone FPGA 互连的系统。C8051F020 器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64 个数字I/O 引脚，与8051 完全兼容，而且速度得到了极大提高，70%的指令执行时间为1 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统时钟周期。此外，C8051F020 系列MCU 对CIP-51 内核和外设有几

4、项关键性的改良，提高了整体性能，更易于在终应用中使用。如提供22 个中断源、7 个复位源、可编程交叉开关、8 位A/D 转换器、12 位D/A 转换器等。 Cyclone系列FPGA 将低功耗FPGA 的密度规模扩展至68 416 个逻辑单元，并提供高达622 个可用的I/O 接口以及高达1.1 Mb 的片内存储单元。Cyclone系列成功实现了高效与低功耗的结合，可用于自动化、通信、视频播放等领域。为兼顾成本问题， 本系统采用性价比较高的EP2C8 型FPGA 作为接口器件。 为使单片机的资源可以得到的开发，将单片机的高端口，即P4P7 接入FPGA，并通过FPGA 对外部设备开展访问。在F

5、PGA 中通过Verilog HDL 语言编程实现了3-8 译码器，从而实现了对单片机地址总线的扩展。该3-8 译码器对LCD 以及键盘的键值读取提供使能信号，如图2 所示。 2.2 T6963C 及其接口设计： T6963C 液晶显示控制器多用于小规模的液晶显示器件，常被装配在图形液晶显示模块上，以内藏控制器型图形液晶显示模块的形式出现。 单片机对T6963C 有2 种访问方式： 直接访问与间接访问。直接访问利用三总线以I/O 设备访问形式开展控制；间接访问则由单片机提供并行接口，以程序控制时序的方式开展控制。为简化程序，这里采用直接访问方式。 该LCM 的FS1 引脚用于控制显示字符的字体

6、。FS1 为高时，LCD 显示68 字符；FS1 为低时，LCD 显示88 字符。经实践，在显示英文与数字时，68 字符更为美观；在显示中文字符时，88 字符更为方便。一般系统采用将FS1 接地或接高的方式来固定字体，而本系统采用P2.1 对FS 开展控制，通过改变地址实现改变字体的功能，使得界面的显示更灵活。 2.3 键盘电路设计： 键盘是常用的单片机输入设备，分为编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用硬件译码器实现，并产生键编号或键值的称为编码键盘；靠软件识别的称为非编码键盘。在单片机组成的测控系统及智能化仪器中使用多的是非编码键盘，本系统设计在FPGA 中编程实现36 键盘的行扫

7、描。 由于按键的机械特性，在闭合和断开的瞬间会伴随着一连串的抖动，键抖动会引起按键被误读多次，所以必须开展去抖处理，常用的方法为延时去抖动。FPGA 产生键值之后向单片机发送中断，并等待单片机读取键值。由于人脑反应时间相对较长， 键盘中断可以处于相对较低的优先级，因此本文将键盘中断接于外部中断7。 3 软件设计： 软件设计遵循构造化和层次化的设计原则。底层函数直接与硬件沟通，而上层函数直接通过调用底层函数来实现相应功能，从而使上层函数与硬件环境彻底分开。当硬件环境发生变化时，仅修改底层函数便能实现程序的移植。 3.1 液晶驱动模块的编程设计： 本模块的底层函数需要实现写控制字、写参数、查忙等功

8、能。由于采用直接访问，写控制字与写参数的函数只需向控制口或数据口的地址送数即可。由于LCD 是慢速器件，因此在每次写控制字及写参数之前都需要开展查忙。T6963C的状态字共有7 位有效的状态位，如下表1 所示。其中STA1STA3 为常用，一般情况下可以不需要对STA5STA7 开展查忙的程序。 3.1.1 液晶驱动模块的初始化： T6963C 的特点是具有独特的硬件初始值设置功能，显示驱动所需的参数如占空比系数。驱动传输的字节数/行及字符的字体选择等均由引脚电平设置， 这样T6963C 的初始化在上电时就已经基本设置完成，软件操作的重心就可以全部用于显示画面的设计上。因此，初始化时仅需根据实

9、际情况设置文本区域和图形区域的首地址和宽度， 以及CGRAM 偏置地址、合成方式、光标形状等即可正常使用。 液晶驱动模块的初始化函数如下： void LcdInitial（void） LcdWriteDataD（0 x00，0 x00，0 x40）； /设置文本区域首地址为0000H LcdWriteDataD（0 x20，0 x00，0 x41）； /设置文本区域宽度为20H 字节 LcdWriteDataD（0 x00，0 x04，0 x42）； /设置图形区域首地址为0400H LcdWriteDataD（0 x20，0 x00，0 x43）； /设置图形区域宽度为20H 字节 LcdW

10、riteDataD（0 x03，0 x00，0 x22）； /设置CGRAM 偏置地址，显示存储器的首地址为1800H LcdWriteDataN（0 xa7）； /光标形状设置为87 LcdWriteDataN （0 x80）； /启用内部字符发生器，逻辑“或”合成 LcdWriteDataN（0 x9c）； /开文本和图形显示，禁用光标 LcdClear（3）； /清屏 3.1.2 英文及汉字的文本显示： 由于英文及数字等常用字符的字模已经固化在CGROM中，因此开展英文的显示时，只需指定显示的地址，再输入该字符对应的标号即可。汉字的显示与英文的显示类似。然而出于其复杂性，一个汉字需要使用

11、4 组点阵才能完整显示。在初始化后将汉字的4 部分字模顺序输入CGRAM 中， 在使用时仅需计算好每一部分的显示地址即可对汉字开展完美显示。 对于一串英文字符的输入， 可以利用字符串的特性开展操作。通过检测0字符来判断英文字符串的结尾，从而防止了在调用此显示函数时人工计算句子长度的工作。英文字符的ASCII码值与其在CGROM 中对应的标号恰相差0 x20，因此仅需简单的减法即可实现标号的转换。此外，在开展英文的连续显示时，使用了T6963C 的数据自动写指令，从而提高了显示效率。 对于一串中文的显示，则仅需通过循环调用单个中文的显示程序开展实现。注意由于C51 语言中字符串无法支持中文，因此

12、必须人工计算中文字串的长度并将其作为函数传递给此显示函数。 字符发生器CGRAM 中总共可存储32 个汉字，对于需显示较多汉字的应用， 可从需显示的汉字中选出16 个常用的汉字，固定存放于CGRAM 中，其余汉字仅在需要使用时动态写入CGRAM。这样， 既提高了显示效率， 又解决了CGRAM 过小的问题。 3.1.3 图形显示： 除使用文本显示汉字外，还可采用图形显示的方式。具体方式是将字模以数组的方式保存于单片机的代码段，在需要显示时将数据送入图形区即可。此外，利用图形显示，还可以编写描点程序显示相应波形或者编写绘图程序绘制简易表格，使系统显示结果更加直观，便于分析。 3.1.4 文本特效：

13、 T6963C 可以设置文本属性区，并对文本实现反白、正向闪烁、反向闪烁等特效。使用时仅需将图形显示设置为文本属性区即可。此时图形区的内容将无法显示，若图形区与文本属性区划分在CGRAM 的不同区域，则图形区的内容可以得到保存。利用文本特效，可通过反白或闪烁等效果指示可选选项以及当前选项，从而使界面更易于操作。 3.2 人机交互界面设计： 除基本的10 个数字键以外，还设定了上、下、左、右、确定、取消等按键。此外，按键位置的设计，更符合人们的按键习惯。在界面中采用分级的菜单， 在菜单中选定功能之后将进入下菜单对功能开展更详细的设定。在人机交互界面中可以使用方向键开展功能的选择，数字键仅用于数据的输入。 界面充分利用了文本特效，对选项采用反向显示表示该选项已选定；对选项采用反向闪烁表示用户可通过方向键改变选项。在需要开展数字输入的界面中打开光标，即可向用户标示数字输入的地方。此外，必要的警告和出错界面的设计将为