基于單片機(jī)和FPGA 的人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

  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(wèn)題，同時(shí)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(jì)實(shí)現(xiàn)了鍵盤(pán)、LCD 等人機(jī)交互功能， 同時(shí)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(pán)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(lèi)儀器的開(kāi)發(fā)中，人機(jī)交互功能正起著無(wú)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(jià)格低、壽命長(zhǎng)、接口控制方便等特點(diǎn)，在科研與設(shè)計(jì)領(lǐng)域正發(fā)揮著越來(lái)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(jiǎn)化接口電路，通過(guò)對(duì)FPGA 進(jìn)行編程，可以實(shí)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(pán)，簡(jiǎn)述了一種人機(jī)交互功能的設(shè)計(jì)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)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(pán)可以節(jié)省單片機(jī)的資源， 同時(shí)也能靈活地實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)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(jì)：

　　2.1 總線接口設(shè)計(jì)：

　　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(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有64 個(gè)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(shí)間為1 或2 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有4 條指令的執(zhí)行時(shí)間大于4 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。此外，C8051F020 系列MCU 對(duì)CIP-51 內(nèi)核和外設(shè)有幾項(xiàng)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(gè)中斷源、7 個(gè)復(fù)位源、可編程交叉開(kāi)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(gè)邏輯單元，并提供高達(dá)622 個(gè)可用的I/O 接口以及高達(dá)1.1 Mb 的片內(nèi)存儲(chǔ)單元[3]。CycloneⅡ系列成功實(shí)現(xiàn)了高效與低功耗的結(jié)合，可用于自動(dòng)化、通信、視頻播放等領(lǐng)域。為兼顧成本問(wèn)題， 本系統(tǒng)采用性?xún)r(jià)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(kāi)發(fā)，將單片機(jī)的高端口，即P4～P7 接入FPGA，并通過(guò)FPGA 對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)。在FPGA 中通過(guò)Verilog HDL 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了3-8 譯碼器，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)單片機(jī)地址總線的擴(kuò)展。該3-8 譯碼器對(duì)LCD 以及鍵盤(pán)的鍵值讀取提供使能信號(hào)，如圖2 所示。

　　2.2 T6963C 及其接口設(shè)計(jì)：

　　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?xún)?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(duì)T6963C 有2 種訪問(wèn)方式： 直接訪問(wèn)與間接訪問(wèn)。直接訪問(wèn)利用三總線以I/O 設(shè)備訪問(wèn)形式進(jìn)行控制；間接訪問(wèn)則由單片機(jī)提供并行接口，以程序控制時(shí)序的方式進(jìn)行控制。為簡(jiǎn)化程序，這里采用直接訪問(wèn)方式。

　　該LCM 的FS1 引腳用于控制顯示字符的字體。FS1 為高時(shí)，LCD 顯示6×8 字符；FS1 為低時(shí)，LCD 顯示8×8 字符。經(jīng)實(shí)踐，在顯示英文與數(shù)字時(shí)，6×8 字符更為美觀；在顯示中文字符時(shí)，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(lái)固定字體，而本系統(tǒng)采用P2.1 對(duì)FS 進(jìn)行控制，通過(guò)改變地址實(shí)現(xiàn)改變字體的功能，使得界面的顯示更靈活。

　　2.3 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)：

　　鍵盤(pán)是常用的單片機(jī)輸入設(shè)備，分為編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)。鍵盤(pán)上閉合鍵的識(shí)別由專(zhuān)用硬件譯碼器實(shí)現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編號(hào)或鍵值的稱(chēng)為編碼鍵盤(pán)；靠軟件識(shí)別的稱(chēng)為非編碼鍵盤(pán)。在單片機(jī)組成的測(cè)控系統(tǒng)及智能化儀器中使用最多的是非編碼鍵盤(pán)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在FPGA 中編程實(shí)現(xiàn)3×6 鍵盤(pán)的行掃描。

　　由于按鍵的機(jī)械特性，在閉合和斷開(kāi)的瞬間會(huì)伴隨著一連串的抖動(dòng)，鍵抖動(dòng)會(huì)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(shí)去抖動(dòng)。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(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)， 鍵盤(pán)中斷可以處于相對(duì)較低的優(yōu)先級(jí)，因此本文將鍵盤(pán)中斷接于外部中斷7。

　　3 軟件設(shè)計(jì)：

　　軟件設(shè)計(jì)遵循結(jié)構(gòu)化和層次化的設(shè)計(jì)原則。底層函數(shù)直接與硬件溝通，而上層函數(shù)直接通過(guò)調(diào)用底層函數(shù)來(lái)實(shí)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(kāi)。當(dāng)硬件環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，僅修改底層函數(shù)便能實(shí)現(xiàn)程序的移植。

　　3.1 液晶驅(qū)動(dòng)模塊的編程設(shè)計(jì)：

　　本模塊的底層函數(shù)需要實(shí)現(xiàn)寫(xiě)控制字、寫(xiě)參數(shù)、查忙等功能。由于采用直接訪問(wèn)，寫(xiě)控制字與寫(xiě)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(xiě)控制字及寫(xiě)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(duì)STA5～STA7 進(jìn)行查忙的程序。

　　3.1.1 液晶驅(qū)動(dòng)模塊的初始化：

　　T6963C 的最大特點(diǎn)是具有獨(dú)特的硬件初始值設(shè)置功能，顯示驅(qū)動(dòng)所需的參數(shù)如占空比系數(shù)。驅(qū)動(dòng)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(shí)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(huà)面的設(shè)計(jì)上。因此，初始化時(shí)僅需根據(jù)實(shí)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(dòng)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(chǔ)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(kāi)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(shí)，只需指定顯示的地址，再輸入該字符對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào)即可。漢字的顯示與英文的顯示類(lèi)似。然而出于其復(fù)雜性，一個(gè)漢字需要使用4 組點(diǎn)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(shí)僅需計(jì)算好每一部分的顯示地址即可對(duì)漢字進(jìn)行完美顯示。

　　對(duì)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(guò)檢測(cè)‘