基于FPGA的單片機(jī)外圍接口電路設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 通用邏輯模塊

FPGA可以設(shè)計(jì)成各種組合邏輯和時(shí)序邏輯電路，完成鎖存、三態(tài)輸出、多路選擇、編譯碼、計(jì)數(shù)、寄存等功能。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的功能模塊組成符合設(shè)計(jì)要求的邏輯功能。

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的為擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)用的地址鎖存器（功能與帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器

74LS373相似），其 VHDL描述為： process(oe,enable,d) begin if e='1' then

q=ZZZZZZZZ;

else if enable='1' then q=d; end if;

end if;

end procESS; 其中oe為三態(tài)門的使能信號(hào)，當(dāng) oe為低電平時(shí)三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許q輸出到外部，當(dāng) oe為高電平時(shí)三態(tài)門處于斷開狀態(tài)，輸出處于浮空狀態(tài)； enable為鎖存控制信號(hào)，當(dāng)做鎖存器用時(shí)，應(yīng)使oe為低電平，這時(shí)，當(dāng) enable為高電平時(shí)，鎖存器輸出狀態(tài)與輸入狀態(tài)相同，當(dāng)enable從高電平返回到低電平（即下降沿）時(shí)，輸出不變，即輸入端的數(shù)據(jù)鎖入鎖存器中。

2.2 鍵盤接口模塊鍵盤是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中一個(gè)很重要的部件，它能實(shí)現(xiàn)向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功 能，是人工干預(yù)系統(tǒng)工作的重要手段。本文所設(shè)計(jì)的鍵盤接口電路框圖如圖2所示，由分頻電路、鍵盤掃描計(jì)數(shù)器電路、鍵盤按鍵檢測(cè)電路、按鍵抖動(dòng)消除電路和鍵盤編碼電路等組成。

其中clock為時(shí)鐘脈沖， col為鍵盤的列輸入，row為鍵盤的行輸出，scan_f為掃描頻率， key_valid為按鍵確定信號(hào)，butt_code為按鍵值。首先，將外部時(shí)鐘信號(hào)分頻為適合鍵盤的掃描頻率；計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值輸出到按鍵檢測(cè)電路，檢測(cè)使用者是否按下鍵盤，同時(shí)輸出到鍵盤編碼電路對(duì)鍵盤數(shù)值編碼；當(dāng)使用者按下鍵盤時(shí)，按鍵檢測(cè)電路的 key_pressed將為0，并輸出到計(jì)數(shù)器使計(jì)數(shù)停止，同時(shí)抖動(dòng)消除電路在確認(rèn)使用者正確按鍵后，輸出按鍵確定信號(hào)。

2.3 顯示接口模塊

顯示功能是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的基本功能之一，用戶通過(guò)靈活的顯示方式方便的了解系統(tǒng)的工作情況。在簡(jiǎn)單的應(yīng)用系統(tǒng)中常用LED數(shù)碼管或LCD顯示器顯示數(shù)據(jù)或工作狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)的為一個(gè)4位七段動(dòng)態(tài) LED數(shù)碼管顯示接口電路，電路框圖如圖3所示，它由BCD多路選擇器、BCD對(duì)應(yīng)七段顯示器編碼電路、計(jì)數(shù)譯碼電路和七段顯示器掃描電路等組成。其中clk為同步時(shí)鐘脈沖信號(hào)， flk_ena為掃描時(shí)鐘脈沖信號(hào)， bcd_data為輸入的BCD碼，ledseg為七段顯示器數(shù)值輸出， ledcom為七段顯示器輸出使能。

2.4 串并行接口模塊

雖然大多數(shù)單片機(jī)都帶有通用的串行接口，但自行設(shè)計(jì)的接口意味著更大的使用靈活性，特別是FPGA的高速特性允許更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，在實(shí)用中有重要意義。作為范例， 本文設(shè)計(jì)了基于RS232-C標(biāo)準(zhǔn)的異步串行通信接口，它主要由數(shù)據(jù)總線接口、控制邏輯、波特率發(fā)生器、發(fā)送和接收等部分組成，其功能主要包括微處理器接口，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木彌_器（Buffer）、幀產(chǎn)生、奇偶校驗(yàn)、并轉(zhuǎn)串，用于數(shù)據(jù)接收的緩沖器、幀產(chǎn)生、奇偶校驗(yàn)、串轉(zhuǎn)并等。