ARM7的鍵盤與VFD顯示器接口技術(shù)

引 言
    儀表行業(yè)以及工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)實(shí)時(shí)性、處理速度、智能化等方面有了更高的要求，而ARM微處理器具有功耗低、指令吞吐量高、實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)、處理器宏單元性價(jià)比高等特點(diǎn)，因此，將ARM微處理器引入產(chǎn)品和工業(yè)生產(chǎn)的開發(fā)設(shè)計(jì)中已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)。
    在工業(yè)控制和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，一般都要求具有供操作的鍵盤和可視化界面。傳統(tǒng)顯示模塊的設(shè)計(jì)一般都是采用I／O口外擴(kuò)驅(qū)動(dòng)電路連接而成，顯示器一般都采用LED或LCD，要么成本低但實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，要么實(shí)現(xiàn)起來簡單成本卻很高。筆者綜合考慮了成本、實(shí)現(xiàn)的難易程度、功能以及穩(wěn)定性等方面的要求，提出了一種實(shí)現(xiàn)起來較容易且具有較高對(duì)比度和精度的VFD顯示的方法。

1 硬件電路的實(shí)現(xiàn)
    考慮到未來市場對(duì)功耗、處理速度、實(shí)時(shí)性、多功能、多任務(wù)處理等方面會(huì)有更高的要求，本設(shè)計(jì)采用基于周立功公司MiniARM的M2020—FNU20嵌入式核心板(微處理器為LPC2220)及其M22A開發(fā)板。M22A開發(fā)板的板上資源主要有：
    ◆μC／OS—II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；
    ◆TCP／IP協(xié)議、FAT32文件管理系統(tǒng)；
    ◆UART、I2C、SPI通信接口；
    ◆JTAG接口支持在線調(diào)試；
    ◆工業(yè)級(jí)10M以太網(wǎng)控制接口CSB900A—IQ；
    ◆2 MB NOR Flash程序存儲(chǔ)器等。
    另外，現(xiàn)代工業(yè)控制和產(chǎn)品生產(chǎn)大都需要可供操作的鍵盤以及可視化界面。本設(shè)計(jì)采用HTl6511芯片驅(qū)動(dòng)鍵盤和顯示。考慮到工業(yè)生產(chǎn)中各種不利環(huán)境的影響，本設(shè)計(jì)采用具有較高對(duì)比度，且具有很好的可靠性與環(huán)境適應(yīng)性的VFD(真空熒光顯示器)進(jìn)行顯示。HTl6511是一個(gè)典型的VFD驅(qū)動(dòng)芯片，由5個(gè)led輸出口、1個(gè)控制電路、1個(gè)顯示存儲(chǔ)器(內(nèi)部)和1個(gè)按鍵掃描電路組成。微處理器通過三線串行接口對(duì)HTl6511進(jìn)行串行數(shù)據(jù)輸入、輸出。圖1是系統(tǒng)硬件電路框圖，主要包括LPC2220與驅(qū)動(dòng)芯片HTl6511的連接。HTl6511與VFD顯示器的連接，使用HTl6511外擴(kuò)的12×4的按鍵掃描電路以及指示燈和開關(guān)電路。

2 軟件設(shè)計(jì)
    軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，使用基于優(yōu)先級(jí)的系統(tǒng)調(diào)度法來實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊。每個(gè)模塊設(shè)置為一個(gè)任務(wù)，如taskO為讀鍵值模塊，taskl為顯示模塊等。給每個(gè)模塊設(shè)置一個(gè)固定的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完后自動(dòng)掛起，掛起的時(shí)間長短可以自己設(shè)定。任務(wù)掛起后進(jìn)入等待狀態(tài)，掛起時(shí)間一到，任務(wù)自動(dòng)進(jìn)入就緒狀態(tài)。
    開發(fā)板內(nèi)嵌了μC／0S—II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用可剝奪型內(nèi)核。若系統(tǒng)正在執(zhí)行一個(gè)優(yōu)先級(jí)較低的任務(wù)，且有一個(gè)或多個(gè)優(yōu)先級(jí)較高的任務(wù)就緒時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的任務(wù)將被打斷，去執(zhí)行優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。執(zhí)行完成后，系統(tǒng)不會(huì)馬上返回中斷的地方，而是執(zhí)行當(dāng)前就緒任務(wù)中具有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)；當(dāng)沒有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒時(shí)，系統(tǒng)才返回原來中斷的地方。若程序中某些模塊(如讀鍵值、推顯等)不希望被打斷，就需要在進(jìn)入該模塊的開始處關(guān)閉中斷，執(zhí)行完后再打開中斷。以下是各個(gè)功能模塊的實(shí)現(xiàn)。
2．1 HTl6511的讀／寫程序
    圖2為HTl6511的數(shù)據(jù)讀／寫時(shí)序。其中，tcw為時(shí)鐘脈沖寬度，最小值為400 ns；tsu為數(shù)據(jù)上傳時(shí)間，最小值為100 ns；th是數(shù)據(jù)保持時(shí)間，最小值為lOO ns；tcs為時(shí)鐘調(diào)整時(shí)間，最小值為1μs；tph1和tplh都是數(shù)據(jù)傳遞延遲時(shí)間，tph1最大值為300 ns，tplh最大值為100 ns。

    從圖2中可以看出，讀／寫數(shù)據(jù)時(shí)必須置CS為低；寫數(shù)據(jù)(D1)過程中，在時(shí)鐘(CLK)的下降沿往數(shù)據(jù)線上送數(shù)，送完數(shù)后需要將CLK置高，且要保持一個(gè)tcw的時(shí)間；在讀數(shù)據(jù)時(shí)，需要先將CLK置高一段時(shí)間，然后再拉低一段時(shí)間，才開始從數(shù)據(jù)線上讀取數(shù)據(jù)。
    以下程序?yàn)橄騂Tl6511寫一個(gè)字符：

2．2 主要驅(qū)動(dòng)程序
    驅(qū)動(dòng)程序主要包括顯示驅(qū)動(dòng)和按鍵驅(qū)動(dòng)。
    圖3為HTl65l1的顯示驅(qū)動(dòng)一般命令時(shí)序。圖中，命令1設(shè)置顯示模式；命令2設(shè)置讀／寫數(shù)據(jù)模式；命令3設(shè)置讀／寫數(shù)據(jù)的起始地址；數(shù)據(jù)1到n為需要讀／寫的數(shù)據(jù)；命令4設(shè)置VFD的顯示亮度。

    顯示驅(qū)動(dòng)程序主要包括向HTl6511寫命令和寫控制顯示的數(shù)據(jù)；而按鍵驅(qū)動(dòng)程序則主要是從HTl6511讀取鍵值，再拼接為有效鍵值。由圖3中時(shí)序可知，應(yīng)先設(shè)置顯示模式，然后設(shè)置讀／寫數(shù)據(jù)模式和讀／寫數(shù)據(jù)的起始地址，再發(fā)送數(shù)據(jù)，最后設(shè)置顯示亮度。每發(fā)送一個(gè)命令或數(shù)據(jù)之后都需要一段延時(shí)。
    顯示驅(qū)動(dòng)程序?yàn)椋?/p>

結(jié) 語
    在實(shí)際應(yīng)用中，只需要將HTCS、HTCLK、HTD0、HTDI定義為微處理器的一般雙向I／O口。根據(jù)使用的VFD真值表確定顯示數(shù)據(jù)或字母的字形碼。用一個(gè)數(shù)組disp口來存儲(chǔ)這些字形碼，并使用上述的update_disp()函數(shù)將數(shù)組發(fā)送到HTl6511驅(qū)動(dòng)芯片，即可完成顯示。對(duì)于按鍵掃描，使用read_key()函數(shù)已經(jīng)讀到按鍵值，并放在data寄存器中。
    本設(shè)計(jì)采用ARM微處理器實(shí)現(xiàn)了多功能鍵盤顯示，具有實(shí)現(xiàn)容易、性價(jià)比高、顯示精度高、顯示對(duì)比度高、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。因此，該設(shè)計(jì)適用于很多要求較高的工業(yè)應(yīng)用場合。HTl6511的驅(qū)動(dòng)模塊適用于各種類型的微處理器。本設(shè)計(jì)采用ARM7微處理器來實(shí)現(xiàn)，主要是考慮到現(xiàn)代產(chǎn)品和工業(yè)過程設(shè)計(jì)中對(duì)功耗、處理速度以及功能的高要求。本設(shè)計(jì)具有一定的通用性，適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的總趨勢(shì)。