基于NIOSⅡ的矩陣鍵盤(pán)和液晶顯示外設(shè)組件的設(shè)計(jì)

摘要：給出了利用SOPC Builder中元件編輯器Create New Component并通過(guò)自定義邏輯方法在SOPC設(shè)計(jì)中添加自己開(kāi)發(fā)的矩陣鍵盤(pán)和液晶顯示模塊IP核，同時(shí)將其集成到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。該方案可實(shí)現(xiàn)嵌入式NiosⅡ軟核處理器與鍵盤(pán)和液晶顯示模塊的接口設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵字：SOPC；接口設(shè)計(jì)；NIOSⅡ處理器；矩陣鍵盤(pán)；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(gòu)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(shè)接口，因此，對(duì)于一些庫(kù)中沒(méi)有提供的模塊，用戶就可以自己定義添加。用戶還可以通過(guò)自定義邏輯方法在SOPC設(shè)計(jì)中添加自己開(kāi)發(fā)的IP核。而定制用戶邏輯外設(shè)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(duì)LCD控制器和矩陣鍵盤(pán)的IP核的設(shè)計(jì)方法。該方法利用SOPC Builder中元件編輯器Create New Component，通過(guò)自定義邏輯方法在SOPC設(shè)計(jì)中添加自己開(kāi)發(fā)的液晶顯示模塊和鍵盤(pán)IP核。該控制器具有Avalon總線接口，可與其它標(biāo)準(zhǔn)IP核一起構(gòu)成以NiosⅡ?yàn)楹诵牡钠舷到y(tǒng)，并可編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序。

1 鍵盤(pán)和顯示電路的硬件設(shè)計(jì)
    鍵盤(pán)采用4×4行列式鍵盤(pán)，其4根行輸入線KEY0～KEY3和4根列輸出線KEYSCAN0～KEYSCAN3與鍵盤(pán)接口電路相連，每行信號(hào)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(diǎn)陣液晶顯示器，液晶顯示屏為128×64點(diǎn)陣，可顯示4行，每行顯示8個(gè)漢字，該模塊具有2MB的中文字型ROM，可提供8192個(gè)16×16點(diǎn)陣中文字型。同時(shí)，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(gè)16×8點(diǎn)陣的字母符號(hào)字型；另外，繪圖顯示畫(huà)面還可提供一個(gè)64×256點(diǎn)陣的繪圖區(qū)域(GDRAM)及240點(diǎn)的ICONRAM，可以和文字、畫(huà)面混合顯示，其內(nèi)含的CGRAM可提供4組軟件可編程的16×16點(diǎn)陣造字功能。其鍵盤(pán)電路和顯示模塊接口電路如圖1所示。

2 鍵盤(pán)掃描電路的程序設(shè)計(jì)
    行列式鍵盤(pán)又叫矩陣式鍵盤(pán)，它用帶有I／O口的線組成行列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。傳統(tǒng)矩陣鍵盤(pán)大多使用軟件驅(qū)動(dòng)控制，即在程序中循環(huán)掃描查詢鍵盤(pán)的狀態(tài)，以判斷是否有鍵按下，這種方法比較耗費(fèi)CPU資源，而且查詢掃描結(jié)果可能出現(xiàn)誤碼。本文提出了一種新的用硬件描述語(yǔ)言在FPGA中實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤(pán)控制的方法。該方法使用時(shí)序電路掃描查詢鍵盤(pán)，在發(fā)現(xiàn)鍵按下的時(shí)候，可給出相應(yīng)的鍵碼和中斷信號(hào)，并以中斷的方式處理按鍵。矩陣鍵盤(pán)掃描分4個(gè)時(shí)序，在每一個(gè)時(shí)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(shí)在每個(gè)時(shí)序查詢KEYSCAN0～KEYSCAN3(四根列線)端口。

    圖2所示是一種4×4行列結(jié)構(gòu)的鍵盤(pán)掃描電路，它由分頻器電路、鍵盤(pán)掃描計(jì)數(shù)電路、鍵盤(pán)行(row)列(col)按鍵檢測(cè)電路、按鍵抖動(dòng)消除電路、鍵盤(pán)編碼電路等組成。[!--empirenews.page--]
    設(shè)計(jì)好鍵盤(pán)的硬件控制程序以后，鍵盤(pán)控制程序可封裝為參數(shù)可配置的用戶自定義外設(shè)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(huì)出現(xiàn)在SOPCBuilder的組件選擇欄的“User Logic”項(xiàng)目下，最后在NiosⅡIDE中設(shè)計(jì)矩陣鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)程序，安裝鍵盤(pán)按鍵中斷，編寫(xiě)按鍵中斷服務(wù)程序，從而通過(guò)按鍵中斷獲取相應(yīng)按鍵的鍵盤(pán)碼。其例程如下：
/*初始化鍵盤(pán)中斷*/

3 LCD顯示模塊的程序設(shè)計(jì)
    在NiosⅡ和LCD的接口中，一方面可以通過(guò)在NiosⅡ系統(tǒng)中添加相應(yīng)I／O口的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示屏LCD的間接控制，另一方面也可以利用構(gòu)建IP核來(lái)直接進(jìn)行控制。第一種是將LCD接口當(dāng)作普通的外部設(shè)備PIO進(jìn)行操作，LCD的數(shù)據(jù)以及讀、寫(xiě)使能、片選信號(hào)等都包括在PIO總線內(nèi)；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(chǔ)器，直接做成Avalon總線Slave設(shè)備。
    第一種方法在硬件工程中，需要設(shè)計(jì)與外設(shè)相連的I／O接口；而在軟件工程中，需要用戶編寫(xiě)相應(yīng)的接口程序?qū)ν庠O(shè)進(jìn)行初始化，設(shè)置相應(yīng)的外設(shè)寄存器。在每次新建一個(gè)工程后，這樣的工作都得重復(fù)進(jìn)行，因而會(huì)增加開(kāi)發(fā)成本。第二種方案需要寫(xiě)HDL模塊，自己定義控制狀態(tài)、數(shù)據(jù)寄存器和控制位，這種方式控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制時(shí)序，而且一旦自定義設(shè)備成功后，就可以像使用其他設(shè)備一樣來(lái)使用這些設(shè)備。用戶也可以將這些設(shè)備共享給其他的使用者，這樣就大大減少了重復(fù)工作。本設(shè)計(jì)中采用第二種方法。
    在Altera SOPC Builder中雙擊Create NewComponent，打開(kāi)Component窗口，并在HDL Files標(biāo)簽下添加LCD硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)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(huì)立即自動(dòng)對(duì)文件進(jìn)行分析，并從文件中讀I／O信號(hào)和參數(shù)信息。Lcd 12864自定義邏輯信號(hào)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(huì)出現(xiàn)在SOPC Builder的組件選擇欄的“User Logic”項(xiàng)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(duì)LCD進(jìn)行模式設(shè)置。由于SOPC Builder中的LCDl2864控制模塊已經(jīng)考慮了LCD的讀寫(xiě)時(shí)序，所以使用NiosⅡIDE進(jìn)行LCD驅(qū)動(dòng)和控制時(shí)只需對(duì)LCD進(jìn)行初始化。其部分初始化子程序如下：

    之后，打開(kāi)NiosⅡIDE，創(chuàng)建軟件工程，編寫(xiě)test程序，即可測(cè)試驗(yàn)證液晶模塊的顯示結(jié)果。其中部分程序如下：

4 結(jié)束語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)最后經(jīng)過(guò)測(cè)試證明，矩陣鍵盤(pán)按鍵中斷響應(yīng)準(zhǔn)確無(wú)誤。由于其掃描過(guò)程由硬件實(shí)現(xiàn)，無(wú)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，矩陣鍵盤(pán)和LCD接口均封裝為用戶自定義的外設(shè)組件加入SOPCBuilder的元件庫(kù)中，因而可以很方便地在其他系統(tǒng)中根據(jù)實(shí)際情況添加使用。用戶也可以將這些設(shè)備共享給其他的使用者，這樣就大大減少了重復(fù)工作。與其他方法相比，該方法無(wú)疑是一種更高效、靈活和低成本的開(kāi)發(fā)方法，同時(shí)體現(xiàn)出了SOPC片上可編程系統(tǒng)的靈活、方便、可重用的優(yōu)勢(shì)。