基于单片机和FPGA 的人机交互系统的设计

摘要： 在仪器仪表电路中，人机交互界面是必不可少的环节。为了解决单纯采用单片机制作的系统功耗高、速度慢、电路结构繁琐的问题，同时为了发挥出单片机的灵活性和FPGA 的高速性，系统采用C8051F020 单片机和CycloneⅡFPGA 作为系统核心， 设计实现了键盘、LCD 等人机交互功能， 同时预留了部分I/O 接口作为扩展接口使用。采用FPGA 扫描键盘可以极大程度地节省单片机的资源，利用单片机和FPGA 共同控制LCD 可以更好地体现出人机交互的特色。

在现代各类仪器的开发中，人机交互功能正起着无可替代的作用。人机交互界面友好的仪器将更容易操作和使用，从而提高工作效率。液晶显示器（LCD）具有功耗低、价格低、寿命长、接口控制方便等特点，在科研与设计领域正发挥着越来越大的作用。FPGA 作为单片机外设的接口芯片，可以大大简化接口电路，通过对FPGA 进行编程，可以实现常用的译码、地址选通等功能。

本文以C8051F020 单片机与FPGA 互连系统为控制核心，以液晶显示控制器T6963C 为例，结合行扫描键盘，简述了一种人机交互功能的设计。

1 系统设计方案：

FPGA 可在很大程度上扩展单片机的资源，然而人机交互功能仍应尽量减少对单片机及FPGA 的资源消耗， 以便将更多的片内资源用于其他功能的扩展。采用FPGA 扫描键盘可以节省单片机的资源， 同时也能灵活地实现键盘的扩展。而考虑到液晶控制较复杂， 依然采用单片机控制LCD，使LCD 的各种功能得到最大程度的利用，其系统框图如图1 所示。

　　2 硬件电路及FPGA 接口设计：

2.1 总线接口设计：

这里采用单片机C8051F020 与CycloneⅡ FPGA 互连的系统。C8051F020 器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64 个数字I/O 引脚，与8051 完全兼容，而且速度得到了极大提高，70%的指令执行时间为1 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统时钟周期。此外，C8051F020 系列MCU 对CIP-51 内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。如提供22 个中断源、7 个复位源、可编程交叉开关、8 位A/D 转换器、12 位D/A 转换器等。

CycloneⅡ系列FPGA 将低功耗FPGA 的密度规模扩展至68 416 个逻辑单元，并提供高达622 个可用的I/O 接口以及高达1.1 Mb 的片内存储单元[3]。CycloneⅡ系列成功实现了高效与低功耗的结合，可用于自动化、通信、视频播放等领域。为兼顾成本问题， 本系统采用性价比较高的EP2C8 型FPGA 作为接口器件。

为使单片机的资源可以得到最大的开发，将单片机的高端口，即P4～P7 接入FPGA，并通过FPGA 对外部设备进行访问。在FPGA 中通过Verilog HDL 语言编程实现了3-8 译码器，从而实现了对单片机地址总线的扩展。该3-8 译码器对LCD 以及键盘的键值读取提供使能信号，如图2 所示。

　　2.2 T6963C 及其接口设计：

T6963C 液晶显示控制器多用于小规模的液晶显示器件，常被装配在图形液晶显示模块上，以内藏控制器型图形液晶显示模块的形式出现。

单片机对T6963C 有2 种访问方式： 直接访问与间接访问。直接访问利用三总线以I/O 设备访问形式进行控制；间接访问则由单片机提供并行接口，以程序控制时序的方式进行控制。为简化程序，这里采用直接访问方式。

该LCM 的FS1 引脚用于控制显示字符的字体。FS1 为高时，LCD 显示6×8 字符；FS1 为低时，LCD 显示8×8 字符。经实践，在显示英文与数字时，6×8 字符更为美观；在显示中文字符时，8×8 字符更为方便。一般系统采用将FS1 接地或接高的方式来固定字体，而本系统采用P2.1 对FS 进行控制，通过改变地址实现改变字体的功能，使得界面的显示更灵活。

2.3 键盘电路设计：

键盘是常用的单片机输入设备，分为编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用硬件译码器实现，并产生键编号或键值的称为编码键盘；靠软件识别的称为非编码键盘。在单片机组成的测控系统及智能化仪器中使用最多的是非编码键盘，本系统设计在FPGA 中编程实现3×6 键盘的行扫描。

由于按键的机械特性，在闭合和断开的瞬间会伴随着一连串的抖动，键抖动会引起一次按键被误读多次，所以必须进行去抖处理，常用的方法为延时去抖动。FPGA 产生键值之后向单片机发送中断，并等待单片机读取键值。由于人脑反应时间相对较长， 键盘中断可以处于相对较低的优先级，因此本文将键盘中断接于外部中断7。

3 软件设计：

软件设计遵循结构化和层次化的设计原则。底层函数直接与硬件沟通，而上层函数直接通过调用底层函数来实现相应功能，从而使上层函数与硬件