基于單片機(jī)和FPGA 的人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計
摘要： 在儀器儀表電路中，人機(jī)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(jī)制作的系統(tǒng)功耗高、速度慢、電路結(jié)構(gòu)繁瑣的問題，同時為了發(fā)揮出單片機(jī)的靈活性和FPGA 的高速性，系統(tǒng)采用C8051F020 單片機(jī)和CycloneⅡFPGA 作為系統(tǒng)核心， 設(shè)計實現(xiàn)了鍵盤、LCD 等人機(jī)交互功能， 同時預(yù)留了部分I/O 接口作為擴(kuò)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(jī)的資源，利用單片機(jī)和FPGA 共同控制LCD 可以更好地體現(xiàn)出人機(jī)交互的特色。
在現(xiàn)代各類儀器的開發(fā)中，人機(jī)交互功能正起著無可替代的作用。人機(jī)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(jī)外設(shè)的接口芯片，可以大大簡化接口電路，通過對FPGA 進(jìn)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(jī)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(jī)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(kuò)展單片機(jī)的資源，然而人機(jī)交互功能仍應(yīng)盡量減少對單片機(jī)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(kuò)展。采用FPGA 掃描鍵盤可以節(jié)省單片機(jī)的資源， 同時也能靈活地實現(xiàn)鍵盤的擴(kuò)展。而考慮到液晶控制較復(fù)雜， 依然采用單片機(jī)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。
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(jī)C8051F020 與CycloneⅡ 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(shè)有幾項關(guān)鍵性的改進(jìn)，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。
CycloneⅡ系列FPGA 將低功耗FPGA 的密度規(guī)模擴(kuò)展至68 416 個邏輯單元，并提供高達(dá)622 個可用的I/O 接口以及高達(dá)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(jī)的資源可以得到最大的開發(fā)，將單片機(jī)的高端口，即P4～P7 接入FPGA，并通過FPGA 對外部設(shè)備進(jìn)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(jī)地址總線的擴(kuò)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(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)。
單片機(jī)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(jìn)行控制；間接訪問則由單片機(jī)提供并行接口，以程序控制時序的方式進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)發(fā)送中斷，并等待單片機(jī)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。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(jìn)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。其中STA1～STA3 最為常用，一般情況下可以不需要對STA5～STA7 進(jìn)行查忙的程序。
3.1.1 液晶驅(qū)動模塊的初始化：
T6963C 的最大特點是具有獨(dú)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。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：
void LcdInitial（void）
{
LcdWriteDataD（0x00，0x00，0x40）； //設(shè)置文本區(qū)域首地址為0000H
LcdWriteDataD（0x20，0x00，0x41）； //設(shè)置文本區(qū)域?qū)挾葹?0H 字節(jié)
LcdWriteDataD（0x00，0x04，0x42）； //設(shè)置圖形區(qū)域首地址為0400H
LcdWriteDataD（0x20，0x00，0x43）； //設(shè)置圖形區(qū)域?qū)挾葹?0H 字節(jié)
LcdWriteDataD（0x03，0x00，0x22）； //設(shè)置CGRAM 偏置地址，顯示存儲器的首地址為1800H
LcdWriteDataN（0xa7）； //光標(biāo)形狀設(shè)置為8×7
LcdWriteDataN （0x80）； //啟用內(nèi)部字符發(fā)生器，邏輯“或”合成
LcdWriteDataN（0x9c）； //開文本和圖形顯示，禁用光標(biāo)
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，因此進(jìn)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(jìn)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(jìn)行操作。通過檢測‘