摘要：本文利用NiosII軟核設計LCD和矩陣鍵盤接口，以中斷代替查詢完成對矩陣鍵盤的控制;設計點陣型LCD與NiosII的接口，實現(xiàn)對LCD中英文顯示的支持。矩陣鍵盤控制和LCD接口均做成自定義外設組件，可重用、便于移植，體現(xiàn)了SOPC技術設計的優(yōu)勢。
引言
Altera 公司在其FPGA 中實現(xiàn)的Nios/NiosII 軟核是最近幾年提出的SOPC(System ON a Programmable Chip，片上可編程系統(tǒng))技術的應用代表，核心是在FPGA 上實現(xiàn)軟硬件資 源可編程、可配置、可裁減、可升級的系統(tǒng)。本文以NiosII 可重編程、可重配置用戶外設 組件的方法為指導，結合PDA 項目設計需要，設計制作了LCD 和矩陣鍵盤到FPGA 的接 口，提出一種新的矩陣鍵盤和LCD 中英文二級字庫顯示的嵌入式實現(xiàn)方法，克服傳統(tǒng)矩陣 鍵盤軟件設計麻煩且浪費CPU系統(tǒng)資源等缺點，降低系統(tǒng)中LCD支持中英文字顯示的成本、 功耗和控制復雜度，并且實現(xiàn)的組件和驅動程序具有可重用、便于移植等優(yōu)點。
1. LCD 和矩陣鍵盤模組的硬件設計
本文采用的點陣型 LCD HY-12864E，分辨率為128×64，可顯示16×16 的漢字32 個， 16×8 的英文字符64 個，還支持圖形顯示。LCD 內(nèi)部集成兩塊HD61202 液晶控制器分別控 制LCD 的左右半屏，HD61202 接口及功能如表1 所示。
HY-12864E 的接口信號可以很方便地連接到NiosII 開發(fā)板的FPGA 引腳上，外部需要 5V 單電源供電，內(nèi)部集成電壓變換電路產(chǎn)生-10V 電壓VEE，VEE 通過10K 歐可調(diào)電阻連 接到LCD 的Vo 端口提供負壓控制點陣顯示的亮度。由于FPGA 的IO 信號是3.3V 電平， 為了和LCD 的5V 電平對接，使用了總線收發(fā)芯片SN74LS245 作緩沖處理。
矩陣鍵盤的電路比較簡單，4×4 的按鍵有橫豎各四根信號線。每行信號線與按鍵的一端 相連，并且使用上拉電阻接到3.3V 電源上，同時使用0.1u 法的去耦電容消除按鍵抖動;每 列信號線與按鍵的另一端相連。電路原理圖如圖1 所示。
圖 1 點陣型LCD 和矩陣鍵盤電路原理圖
2. 矩陣鍵盤的驅動控制設計與軟件編程
傳統(tǒng)矩陣鍵盤使用軟件驅動控制，即在程序中循環(huán)掃描查詢鍵盤的狀態(tài)，以判斷是否有 鍵按下，這種方法耗費CPU 資源，而且查詢掃描結果可能出現(xiàn)誤碼。這里提出一種新的用 硬件描述語言在FPGA 中實現(xiàn)矩陣鍵盤控制的方法：使用時序電路掃描查詢鍵盤，在發(fā)現(xiàn) 鍵按下的時候給出相應的鍵碼和中斷信號，以中斷的方式處理按鍵。矩陣鍵盤掃描分4 個時 序，在每一個時序IOA14-IOA11 端口分別輸出1110、1101、1011、0111 掃描碼，分別控制 一列按鍵接地，在每個時序查詢IOA10-IOA7 端口。程序設計的流程如圖2 所示。
圖 2 矩陣鍵盤掃描流程圖
最后，鍵盤控制程序封裝為參數(shù)可配置的用戶自定義外設組件，可以在SOPC Builder 中直接添加使用。矩陣鍵盤組件的各個配置參數(shù)的說明如表2 所示。
表2 矩陣鍵盤組件參數(shù)說明
實測矩陣鍵盤一次按鍵接觸時長約為 150ms 左右。因此要求150ms 內(nèi)完成連續(xù)4 個時 序的全掃描，避免出現(xiàn)按鍵檢測不到的情況;同時要求鎖定延時超過150ms，避免誤判連擊。 設定64ms 完成一次全掃描，鎖定延時為256ms，默認連續(xù)4 次確認查詢碼不為1111 為按鍵 有效，時鐘輸入為50MHz，因此DIV_clk=25000(分頻得到1ms 時基)、DIV_cycle=8(時 序長為16ms)、Delay=256(鎖定延時256ms)、N=4。組件在NiosII 工程的接口如圖3 所示。
圖3 NiosII 工程中矩陣鍵盤和LCD 組件接口圖
最后在 NiosII IDE 中設計矩陣鍵盤的驅動程序，安裝鍵盤按鍵中斷，編寫按鍵的中斷服 務程序，通過按鍵中斷可以獲取相應按鍵的鍵盤碼。例程如下：
/* 初始化鍵盤中斷 */ // enable the interrupt
IOWR_Altera_AVALON_PIO_IRQ_MASK(KEY _BOARD_IRQ _BASE,0xf);
// reset irq edge regiSTers
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(KEY _BOARD_IRQ _BASE,0x0);
// active the irq server when irq generate
alt_irq_register(KEY_BOARD_IRQ _IRQ,edge_cap_ptr,key_irq_handle);
/* 中斷服務程序 */ //capture the irq edge change
*key_edge=IORD_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(KEY_BOARD_IRQ _BASE);
// read the key board code
key_code=IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEY_BOARD_4x4_BASE);
// reset irq edge registers
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(KEY_BOARD_IRQ _BASE,0x0);
3. LCD 組件設計及中英文顯示的實現(xiàn)
考慮 LCD 控制器HD61202 的讀寫時序，這里將Avalon 總線從端口到LCD 的接口轉換 電路，封裝為用戶外設組件添加到NiosII 工程中，如圖3 所示。LCD 接口組件的讀寫信號 LCD_E 由從端口讀有效lcd_rd_n 和寫有效lcd_wr_n 與非產(chǎn)生,Avalon 從端口采用三位地址 線lcd_addr[2..0]，如表3 所示設置從端口與LCD 接口信號的連接。
表 3：Avalon 從端口地址線與LCD 信號的連接
基于 VGA 的中英文字庫HZK16(16×16)和ASC16(16×8)可以從網(wǎng)上下載，但還不 能直接作為LCD 的中英文字庫。中英文字在VGA 中是按照其內(nèi)碼到字庫里查詢到相應的 字模(一個16×8 英文字模是16 字節(jié)的數(shù)據(jù)，一個16×16 漢字模是32 字節(jié)的數(shù)據(jù))，將字 模數(shù)據(jù)一個字節(jié)一個字節(jié)地按行顯示。而在LCD HY-12864E 中，字模的一個字節(jié)按列顯示， 因而要對字庫數(shù)據(jù)先作行列變換再作高低位置換才能在LCD 上正常顯示，如圖4 所示。[!--empirenews.page--]
圖 4 VGA 和HY-12864E 字模顯示示意圖
變換后的字庫文件HZK16_lcd.bin 和ASC16_lcd.bin 通過Nios II Command Shell 的命令 bin2flash 轉換為.Flash 文件后就可以下載到NiosII 開發(fā)板中Flash 特定位置，供中英文顯示 時字模查詢使用，假定Flash 大小是2Mbytes，起始地址是0x0，方法如下：
bin2flash--location=0x100000--input=HZK16_lcd.bin --output=HZK16_lcd.flash
bin2flash --location=0x10ffff --input=ASC16_lcd.bin --output=ASC16_lcd.flash
nios2-flash-programmer --base=0x0 HZK16_lcd.flash(中文字庫下載到Flash 的0x100000 位置)
nios2-flash-programmer --base=0x0 ASC16_lcd.flash (英文字庫下載到Flash 的0x10ffff 位置)
由于 LCD 是接在Avalon 總線的從端口上的，在完成LCD 用戶組件時使用的地址映射 (Slave Addressing)是memory 方式，這種方式可以支持一個字節(jié)(8bits)寬度的數(shù)據(jù)訪問， 而LCD 的數(shù)據(jù)寬度也是一個字節(jié)，因此可以使用IOWR_8DIRECT(BASE，OFFSET，DATA) 和IORD_8DIRECT(BASE，OFFSET)函數(shù)完成對LCD 的寫、讀操作，根據(jù)前面地址線的連 接定義，我們可以定義對LCD 的操作函數(shù)如表4 所示。
表 4：LCD 的讀寫操作函數(shù)定義
這里的 LCD_HY12864_BASE 為LCD 在NiosII 軟核中的基地址。HD61202 控制器通過寫相 應的命令控制LCD 顯示的開關、起始行號、操作的行地址列地址等，通過讀狀態(tài)獲得LCD 的工作信息，通過讀/寫數(shù)據(jù)指令讀出寫入RAM 中的數(shù)據(jù)。在這些基本的LCD 讀寫函數(shù)上， 定義LCD 操作的宏參數(shù)，編寫一些對LCD 的操作函數(shù)：LCD 初始化函數(shù)、清行函數(shù)、置行函 數(shù)、顯示一行中英文的函數(shù)等。其中顯示一行中英文流程如圖5 所示。
圖 5 中英文顯示流程圖
4. 本文創(chuàng)新點
最后經(jīng)過測試，矩陣鍵盤按鍵中斷響應準確無誤，由于掃描的過程由硬件實現(xiàn)，不占用 CPU 資源，大大提高了系統(tǒng)的性能。LCD 可以接收任意中英文的輸入顯示。在開發(fā)設計過 程中，矩陣鍵盤和LCD 接口均封裝為用戶自定義外設組件，加入SOPC Builder 的元件庫中， 可以很方便地在其他系統(tǒng)中根據(jù)實際情況添加使用，二者的驅動程序也可以很方便地移植到 其他工程設計中，體現(xiàn)出了SOPC 片上可編程系統(tǒng)靈活、方便、可重用的優(yōu)勢。本文設計的 矩陣鍵盤和LCD 成功應用到筆者設計的PDA 項目中。
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