基于NIOSⅡ的矩陣鍵盤和液晶顯示外設組件的設計

摘要：給出了利用SOPC Builder中元件編輯器Create New Component并通過自定義邏輯方法在SOPC設計中添加自己開發(fā)的矩陣鍵盤和液晶顯示模塊IP核，同時將其集成到系統(tǒng)的實現方案。該方案可實現嵌入式NiosⅡ軟核處理器與鍵盤和液晶顯示模塊的接口設計。
關鍵字：SOPC；接口設計；NIOSⅡ處理器；矩陣鍵盤；液晶顯示

0 引言
    NiosⅡ是Altera公司推出的第二代IP軟核處理器。它與其他IP核可構成SOPC系統(tǒng)的主要部分。Altera SOPC Builder提供有NiosⅡ處理器及一些常用外設接口，因此，對于一些庫中沒有提供的模塊，用戶就可以自己定義添加。用戶還可以通過自定義邏輯方法在SOPC設計中添加自己開發(fā)的IP核。而定制用戶邏輯外設是使用NiosⅡ嵌入式軟核處理器的SOPC系統(tǒng)的重要特性之一。
    本文提出了一種針對LCD控制器和矩陣鍵盤的IP核的設計方法。該方法利用SOPC Builder中元件編輯器Create New Component，通過自定義邏輯方法在SOPC設計中添加自己開發(fā)的液晶顯示模塊和鍵盤IP核。該控制器具有Avalon總線接口，可與其它標準IP核一起構成以NiosⅡ為核心的片上系統(tǒng)，并可編寫驅動程序。

1 鍵盤和顯示電路的硬件設計
    鍵盤采用4×4行列式鍵盤，其4根行輸入線KEY0～KEY3和4根列輸出線KEYSCAN0～KEYSCAN3與鍵盤接口電路相連，每行信號線使用上拉電阻接到3．3 V電源上。液晶顯示采用的是THSl2864-12顯示模塊。HSl2864-12是一種圖形點陣液晶顯示器，液晶顯示屏為128×64點陣，可顯示4行，每行顯示8個漢字，該模塊具有2MB的中文字型ROM，可提供8192個16×16點陣中文字型。同時，為了便于英文和其它常用字符顯示，它還具有16 KB半寬字型ROM，提供有128個16×8點陣的字母符號字型；另外，繪圖顯示畫面還可提供一個64×256點陣的繪圖區(qū)域(GDRAM)及240點的ICONRAM，可以和文字、畫面混合顯示，其內含的CGRAM可提供4組軟件可編程的16×16點陣造字功能。其鍵盤電路和顯示模塊接口電路如圖1所示。

2 鍵盤掃描電路的程序設計
    行列式鍵盤又叫矩陣式鍵盤，它用帶有I／O口的線組成行列結構，按鍵設置在行列的交點上。傳統(tǒng)矩陣鍵盤大多使用軟件驅動控制，即在程序中循環(huán)掃描查詢鍵盤的狀態(tài)，以判斷是否有鍵按下，這種方法比較耗費CPU資源，而且查詢掃描結果可能出現誤碼。本文提出了一種新的用硬件描述語言在FPGA中實現矩陣鍵盤控制的方法。該方法使用時序電路掃描查詢鍵盤，在發(fā)現鍵按下的時候，可給出相應的鍵碼和中斷信號，并以中斷的方式處理按鍵。矩陣鍵盤掃描分4個時序，在每一個時序，KEY0～KEY3(四根行線線)端口分別輸出1110、1101、1011、0111掃描碼，并分別控制一列按鍵接地，同時在每個時序查詢KEYSCAN0～KEYSCAN3(四根列線)端口。

    圖2所示是一種4×4行列結構的鍵盤掃描電路，它由分頻器電路、鍵盤掃描計數電路、鍵盤行(row)列(col)按鍵檢測電路、按鍵抖動消除電路、鍵盤編碼電路等組成。[!--empirenews.page--]
    設計好鍵盤的硬件控制程序以后，鍵盤控制程序可封裝為參數可配置的用戶自定義外設組件，以在SOPCBuilder中直接添加使用。完成KEYS器件的加入后，KEYS器件就會出現在SOPCBuilder的組件選擇欄的“User Logic”項目下，最后在NiosⅡIDE中設計矩陣鍵盤的驅動程序，安裝鍵盤按鍵中斷，編寫按鍵中斷服務程序，從而通過按鍵中斷獲取相應按鍵的鍵盤碼。其例程如下：
/*初始化鍵盤中斷*/

3 LCD顯示模塊的程序設計
    在NiosⅡ和LCD的接口中，一方面可以通過在NiosⅡ系統(tǒng)中添加相應I／O口的方式來實現對液晶顯示屏LCD的間接控制，另一方面也可以利用構建IP核來直接進行控制。第一種是將LCD接口當作普通的外部設備PIO進行操作，LCD的數據以及讀、寫使能、片選信號等都包括在PIO總線內；第二種是在SOPC Builder中自己定義eomponent，并把液晶顯示模塊看成外部存儲器，直接做成Avalon總線Slave設備。
    第一種方法在硬件工程中，需要設計與外設相連的I／O接口；而在軟件工程中，需要用戶編寫相應的接口程序對外設進行初始化，設置相應的外設寄存器。在每次新建一個工程后，這樣的工作都得重復進行，因而會增加開發(fā)成本。第二種方案需要寫HDL模塊，自己定義控制狀態(tài)、數據寄存器和控制位，這種方式控制靈活，易于實現復雜的控制時序，而且一旦自定義設備成功后，就可以像使用其他設備一樣來使用這些設備。用戶也可以將這些設備共享給其他的使用者，這樣就大大減少了重復工作。本設計中采用第二種方法。
    在Altera SOPC Builder中雙擊Create NewComponent，打開Component窗口，并在HDL Files標簽下添加LCD硬件描述語言編寫的文件(該文件描述了組件與Avalon總線的接口以及組件與液晶屏的接口)，系統(tǒng)編輯器就會立即自動對文件進行分析，并從文件中讀I／O信號和參數信息。Lcd 12864自定義邏輯信號如圖3所示。

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    完成LCD_12864器件的加入后，LCD_12864器件就會出現在SOPC Builder的組件選擇欄的“User Logic”項目下。圖4所示是LCD模塊的管腳分配圖。

    LCD模塊的初始化就是對LCD進行模式設置。由于SOPC Builder中的LCDl2864控制模塊已經考慮了LCD的讀寫時序，所以使用NiosⅡIDE進行LCD驅動和控制時只需對LCD進行初始化。其部分初始化子程序如下：

    之后，打開NiosⅡIDE，創(chuàng)建軟件工程，編寫test程序，即可測試驗證液晶模塊的顯示結果。其中部分程序如下：

4 結束語
    本設計最后經過測試證明，矩陣鍵盤按鍵中斷響應準確無誤。由于其掃描過程由硬件實現，無需占用CPU資源，故可大大提高系統(tǒng)的性能，LCD可以接收任意中英文的輸入顯示。在開發(fā)設計過程中，矩陣鍵盤和LCD接口均封裝為用戶自定義的外設組件加入SOPCBuilder的元件庫中，因而可以很方便地在其他系統(tǒng)中根據實際情況添加使用。用戶也可以將這些設備共享給其他的使用者，這樣就大大減少了重復工作。與其他方法相比，該方法無疑是一種更高效、靈活和低成本的開發(fā)方法，同時體現出了SOPC片上可編程系統(tǒng)的靈活、方便、可重用的優(yōu)勢。