基于單片機和FPGA的人機交互系統的設計

摘要：在儀器儀表電路中，人機交互界面是必不可少的環節。為了解決單純采用單片機制作的系統功耗高、速度慢、電路結構繁瑣的問題，同時為了 發揮出單片機的靈活性和FPGA的高速性，系統采用C805lF020單片機和CycloneⅡFPGA作為系統核心，設計實現了鍵盤、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 體現出人機交互的特色。
關鍵詞：人機交互；C805lF；T6963C；FPGA；鍵盤掃描

在現代各類儀器的開發中，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掃描鍵盤可以節省單片機的資源，同時也能靈活地實現鍵盤的擴展。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CycloneⅡFPGA互連的系統。C8051F020器件是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有64個數字 I／O引腳，與8051完全兼容，而且速度得到了極大提高，70％的指令執行時間為l或2個系統時鐘周期，只有4條指令的執行時間大于4個系統時鐘周期。 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。CycloneⅡ系列成功實現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，本系統采用性價比較高的EP2C8型FPGA作為接口器件。