液晶和矩陣鍵盤SOPC外設組件設計開發

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，體現了SOPC技術設計的優勢。

引言

Altera 公司在其FPGA 中實現的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)技術的應用代表，核心是在FPGA 上實現軟硬件資 源可編程、可配置、可裁減、可升級的系統。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方法，克服傳統矩陣 鍵盤軟件設計麻煩且浪費CPU系統資源等缺點，降低系統中LCD支持中英文字顯示的成本、 功耗和控制復雜度，并且實現的組件和驅動程序具有可重用、便于移植等優點。

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 開發板的FPGA 引腳上，外部需要 5V 單電源供電，內部集成電壓變換電路產生-10V 電壓VEE，VEE 通過10K 歐可調電阻連 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

傳統矩陣鍵盤使用軟件驅動控制，即在程序中循環掃描查詢鍵盤的狀態，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誤碼。這里提出一種新的用 硬件描述語言在FPGA 中實現矩陣鍵盤控制的方法：使用時序電路掃描查詢鍵盤，在發現 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的說明如表2 所示。

表2 矩陣鍵盤組件參數說明

實測矩陣鍵盤一次按鍵接觸時長約為 150ms 左右。因此要求150ms 內完成連續4 個時 序的全掃描，避免出現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

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 字節的數據，一個16×16 漢字模是32 字節的數據)，將字 模數據一個字節一個字節地按行顯示。而在LCD HY-12864E 中，字模的一個字節按列顯示， 因而要對字庫數據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。