摘要：在儀器儀表電路中，人機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)揮出單片機的靈活性和FPGA的高速性，系統(tǒng)采用C805lF020單片機和CycloneⅡFPGA作為系統(tǒng)核心，設計實現(xiàn)了鍵盤、LCD等人機交互 功能，同時預留了部分I／O接口作為擴展接口使用。采用FPGA掃描鍵盤可以極大程度地節(jié)省單片機的資源，利用單片機和FPGA共同控制LCD可以更好地 體現(xiàn)出人機交互的特色。
關(guān)鍵詞：人機交互；C805lF；T6963C；FPGA；鍵盤掃描
在現(xiàn)代各類儀器的開發(fā)中，人機交互功能正起著無可替代的作用。人機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，在科研與設計領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越大的作用。FPGA作為單片機外設的接口芯片，可以大大簡化接口電路，通過對 FPGA進行編程，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，簡述了一種人機交互功能的設計。
1 系統(tǒng)設計方案
FPGA可在很大程度上擴展單片機的資源，然而人機交互功能仍應盡量減少對單片機及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展。采用 FPGA掃描鍵盤可以節(jié)省單片機的資源，同時也能靈活地實現(xiàn)鍵盤的擴展。而考慮到液晶控制較復雜，依然采用單片機控制
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接口設計
2．1 總線接口設計
這里采用單片機C8051F020與CycloneⅡFPGA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l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)核和外設有幾項關(guān)鍵性的改進，提高了整體性能，更易于在最終應用中使用。如提供22個中斷源、7個復 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)模擴展至68 416個邏輯單元，并提供高達622個可用的I／O接口以及高達1．1 Mb的片內(nèi)存儲單元。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。
為使單片機的資源可以得到最大的開發(fā)，將單片機的高端口，即P4～P7接入FPGA，并通過FPGA對外部設備進行訪問。在FPGA中通過Vel-ilog HDL語言編程實現(xiàn)了3-8譯碼器，從而實現(xiàn)了對單片機地址總線的擴展。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設備訪問形式進行控制；間接訪問則由單片機提供并行接口，以程序控制時序的方式進行控制。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6x8字符；FS1為低時，LCD顯示8x8字符。經(jīng)實踐，在顯示英文與數(shù)字 時，6x8字符更為美觀；在顯示中文字符時，8x8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 鍵盤電路設計
鍵盤是常用的單片機輸入設備，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)設計在FPGA中編程實現(xiàn)3x6鍵盤的行掃描。
由于按鍵的機械特性，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發(fā)送中斷，并等待單片機讀取鍵值。由于人腦反應時間相對較長，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 軟件設計
軟件設計遵循結(jié)構(gòu)化和層次化的設計原則。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)相應功能，從而使上層函數(shù)與硬件環(huán)境徹底分開。當硬件環(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進行杏忙的程序。
3．1．1 液晶驅(qū)動模塊的初始化
T6963C的最大特點是具有獨特的硬件初始值設置功能，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置，這 樣T6963C的初始化在上電時就已經(jīng)基本設置完成，軟件操作的重心就可以全部用于顯示畫面的設計上。因此，初始化時僅需根據(jù)實際情況設置文本區(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：
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，因此進行英文的顯示時，只需指定顯示的地址，再輸入該字符對應的標號即可。漢字 的顯示與英文的顯示類似。然而出于其復雜性，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行操作。通過檢測‘＼0’字符來判斷英文字符串的結(jié)尾，從而避免了在調(diào)用此顯示函數(shù)時人工計算句子長度的 工作。英文字符的ASCII碼值與其在CGROM中對應的標號恰相差0x20，因此僅需簡單的減法即可實現(xiàn)標號的轉(zhuǎn)換。此外，在進行英文的連續(xù)顯示時，使 用了T6963C的數(shù)據(jù)自動寫指令，從而提高了顯示效率。
對于一串中文的顯示，則僅需通過循環(huán)調(diào)用單個中文的顯示程序進行實現(xiàn)。注意由于C51語言中字符串無法支持中文，因此必須人工計算中文字串的長度并將其作為函數(shù)傳遞給此顯示函數(shù)。
字符發(fā)生器CGRAM中總共可存儲32個漢字，對于需顯示較多漢字的應用，可從需顯示的漢字中選出16個最常用的漢字，固定存放于CGRAM中，其余漢字僅在需要使用時動態(tài)寫入CGRAM。這樣，既提高了顯示效率，又解決了CGRAM過小的問題。
3．1．3 圖形顯示
除使用文本顯示漢字外，還可采用圖形顯示的方式。具體方式是將字模以數(shù)組的方式保存于單片機的代碼段，在需要顯示時將數(shù)據(jù)送入圖形區(qū)即可。此外，利用圖形顯示，還可以編寫描點程序顯示相應波形或者編寫繪圖程序繪制簡易表格，使系統(tǒng)顯示結(jié)果更加直觀，便于分析。
3．1．4 文本特效
T6963C可以設置文本屬性區(qū)，并對文本實現(xiàn)反白、正向閃爍、反向閃爍等特效。使用時僅需將圖形顯示設置為文本屬性區(qū)即可。此時圖形區(qū)的內(nèi)容將無法顯 示，若圖形區(qū)與文本屬性區(qū)劃分在CGRAM的不同區(qū)域，則圖形區(qū)的內(nèi)容可以得到保存。利用文本特效，可通過反白或閃爍等效果指示可選選項以及當前選項，從 而使界面更易于操作。
3．2 人機交互界面設計
除基本的10個數(shù)字鍵以外，還設定了上、下、左、右、確定、取消等按鍵。此外，按鍵位置的設計，更符合人們的按鍵習慣。在界面中采用分級的菜單，在一級菜 單中選定功能之后將進入下一級菜單對功能進行更詳細的設定。在人機交互界面中可以使用方向鍵進行功能的選擇，數(shù)字鍵僅用于數(shù)據(jù)的輸入。
界面充分利用了文本特效，對選項采用反向顯示表示該選項已選定：對選項采用反向閃爍表示用戶可通過方向鍵改變選項。在需要進行數(shù)字輸入的界面中打開光標，即可向用戶標示數(shù)字輸入的地方。此外，必要的警告和出錯界面的設計將為用戶提供更多信息，使人機交互界面更為友好。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)采用鍵盤+LCD的輸入輸出設備，并且可以通過FPGA實現(xiàn)各種其他外設的接口電路的設計，減少了對單片機資源的占用，使得設計靈 活、方便。同時FPGA還可以為單片機提供存儲器和I／0口等資源。本文設計的電路可擴展性強，在此基礎上可將其擴展成各種擁有友好界面的系統(tǒng)，如可控增 益放大器、音頻信號分析儀、集成運放分析儀等。經(jīng)實踐，該系統(tǒng)穩(wěn)定易用，實用性強。