基于SOPC和FPGA的LCD電子鐘設(shè)計

引言

SOPC(System On Programmable Chip)是用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一片硅片上的一種特殊嵌入式系統(tǒng)。一方面，它片上系統(tǒng)(SOC)完成整個系統(tǒng)的邏輯功能;另一方面，它是可編程系統(tǒng),具有靈 活的設(shè)計方式，可裁剪、擴充、升級，并具備軟硬件在 系統(tǒng)可編程功能。SOPC是PLD和ASIC技術(shù)融合的結(jié)果，可以認為SOPC代表了半導體產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向。本文采用EDA軟件Quartus II中的SOPC Builder構(gòu)建了一個SOPC系統(tǒng)。并以構(gòu)建的系統(tǒng)為平臺進行電子鐘的軟件設(shè)計。最后在Altera 公司FPGA多媒體開發(fā)平臺DE2上進行實現(xiàn)。該方案不同于基于處理器或控制器及SOC的嵌入式系統(tǒng)，基于SOPC的嵌入式系統(tǒng)具有可配置的特點，不會包括任何專用外設(shè)，而是可根據(jù)需要靈活地在一片F(xiàn)PGA中構(gòu)造外設(shè)接口。

ALTERA公司在其開發(fā)工具Quartus II中集成T SOPC Builder工具。在該工具的輔助下，設(shè)計者可以非常方便地完成系統(tǒng)集成,軟硬件協(xié)同設(shè)計和驗 證，以最大限度地提高電子系統(tǒng)的性能，加快設(shè)計速度和節(jié)約設(shè)計成本。

1  整體設(shè)計

數(shù)字電子鐘是包括物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的常用電子設(shè)備, 其主要功能是顯示日期、時、分、秒等實時信息，并能 夠方便地對這些實時信息進行設(shè)置。

本系統(tǒng)以NiosII軟核處理器為處理器，同時添加了一些必要的外設(shè)，如并行輸入輸出口(PIO)、LCD1602模塊、一定容量的片上RAM等，從而構(gòu)成一個最小系統(tǒng)，以用于實現(xiàn)電子鐘功能。其中定義的三位輸入口(KEY1, KEY2, KEY3 )用作電子鐘的控制鍵。KEY1用于工作模式的切換，在正常工作中可以對各位進行調(diào)整；KEY2用于調(diào)整的遞減；KEY3用于調(diào)整的遞加。兩位的輸出口用來連接蜂鳴器，做整點報時；LCD模塊用作日期和時間的顯示；片上RAM用作各種數(shù)據(jù)的存儲。

2  硬件設(shè)計

2. 1  在SOPC Builder構(gòu)建SOPC 系統(tǒng)

在Quartus II軟件中打開SOPC Builder,可以按要求依次添加NiosII處理器、30 MB的片上RAM,LCD模塊、三位輸入口和兩位輸出口，再給處理器分配復位向量地址和異常向量地址。然后給各外設(shè)分配一個基地址和中斷優(yōu)先級。所構(gòu)成的系統(tǒng)窗口如圖1所示。這時就可以點擊生成按鈕生成所構(gòu)建的NiosII系統(tǒng)，如果構(gòu)建成功，就會有System generation was successful的提示。

2. 2  在Quartus K中搭建硬件電路

設(shè)計時，可在Quartus H中建立一個原理圖編輯文件，再將構(gòu)建的NiosII系統(tǒng)添加進去，并為其添加管腳，同時進行管腳鎖定，圖2所示是其系統(tǒng)硬件電路。這樣，就可以進行編譯并生成用于配置的.sof文件和用于編程的.pof文件。然后再將所構(gòu)建的系統(tǒng)下載到目標板上的FPGA中，并且連接好各外設(shè)。

3  軟件設(shè)計

NiosII是一個用戶可配置的通用RISC嵌入式處理器。Nios II集成開發(fā)環(huán)境(IDE)是NiosII系列嵌入式處理器的基本軟件開發(fā)工具。所有軟件開發(fā)任務(wù)都可以在NiosII IDE下完成，包括編輯，編譯，調(diào)試程序。

電子鐘的軟件設(shè)計流程主要包括初始化，電子鐘的運行和LCD的顯示，其中后兩個模塊是系統(tǒng)的主要模塊。電子鐘運行模塊主要用來實現(xiàn)電子鐘的計時間和計日期功能,1秒的時間信號可通過軟件延時來實現(xiàn)。LCD模塊用來實現(xiàn)日期和時間的顯示。下面分別介紹這兩個模塊。

3.1  電子鐘模塊設(shè)計

電子鐘模塊的軟件流程如圖3所示。初始化的目的是顯示初始日期和時間并使其處于正常工作狀態(tài)。通過KEY1鍵可以進行工作模式的切換，實現(xiàn)日期和時間的校正。最后對要顯示的日期和時間數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，調(diào)整成適合LCD顯示的數(shù)據(jù)，送給LCD進行實時的日期和時間顯示。

3.2  LCD顯示模塊設(shè)計

LCD顯示模塊用來實現(xiàn)電子鐘日期和時間的實時顯示，其軟件流程如圖4所示。

圖4中的LCD初始化包括對LCD的功能設(shè)置、顯示開關(guān)設(shè)置和模式設(shè)置。LCD定位到首行首列是通過對LCD寫定位指令來完成的，可用于將顯示位置確定到第一行第一列。寫日期數(shù)據(jù)到第一行是通過寫數(shù)據(jù)指令來將要顯示的日期數(shù)據(jù)顯示在液晶屏的第一行。LCD顯示換行也是通過定位指令來實現(xiàn)的。

在對LCD模塊進行顯示控制時，用到了寫控制命令和寫數(shù)據(jù)命令。這些命令是針對具體配置的硬件電路而編寫的.h頭文件。LCD模塊的頭文件如下：

這樣編寫是為了和具體的硬件電路相對應，在LCD模塊的硬件描述語言中，液晶模塊RW和RS的地址分配模塊如下：

其中RS信號是命令與數(shù)據(jù)線，高電平表示目前數(shù)據(jù)線上交換的是數(shù)據(jù),低電平表示目前數(shù)據(jù)線上交 換的是命令。液晶模塊可以根據(jù)這個信號作出正確的 響應。RW是電平信號,高電平表示對液晶模塊執(zhí)行 讀取操作,低電平表示對液晶模塊寫入數(shù)據(jù)或命令。 這樣便于確定各讀寫操作對應于基地址的偏移量。

最后，再將軟硬件的配置文件下載到DE2開發(fā)板上進行電子鐘的功能驗證。其實驗顯示結(jié)果如圖5所示。

4  結(jié)論

本文主要介紹了一種基于SOPC的電子鐘的設(shè)計方法。并對SOPC硬件系統(tǒng)的設(shè)計過程以及基于此硬件系統(tǒng)的軟件功能的設(shè)計進行了詳細的介紹。由于在SOPC系統(tǒng)中，軟硬件都可以編程，從而為硬件系統(tǒng)的靈活配置和軟件系統(tǒng)的靈活設(shè)計提供了方便，也有利于系統(tǒng)的優(yōu)化和升級。尤其這種量體裁衣的硬件配置方式，可以最大限度的提高系統(tǒng)的性價比。同時，也可以利用HardCopy技術(shù)，將成功實現(xiàn)于FPGA器件上的SOPC系統(tǒng)通過特定的技術(shù)直接向ASIC轉(zhuǎn)化。