基于單片機和FPGA 的人機交互系統(tǒng)的設計

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、電路結構繁瑣的問題，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C8051F020 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。

　　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CycloneⅡ FPGA 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1 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 內核和外設有幾項關鍵性的改進，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、8 位A/D 轉換器、12 位D/A 轉換器等。

　　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 的片內存儲單元[3]。CycloneⅡ系列成功實現(xiàn)了高效與低功耗的結合，可用于自動化、通信、視頻播放等領域。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Verilog 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。