液晶和矩阵键盘SOPC外设组件设计开发

发布时间:2020-08-29 19:54

  摘要:本文利用NiosII软核设计LCD和接口,以中断代替查询完成对的控制;设计点阵型LCD与NiosII的接口,实现对LCD中英文显示的支持。控制和LCD接口均做成自定义,可重用、便于移植,体现了

  Altera 公司在其FPGA 中实现的Nios/NiosII 软核是最近几年提出的SOPC(System ON a Programmable Chip,片上可编程系统)技术的应用代表,核心是在FPGA 上实现软硬件资 源可编程、可配置、可裁减、可升级的系统。本文以NiosII 可重编程、可重配置用户的方法为指导,结合PDA 项目设计需要,设计制作了LCD 和矩阵键盘到FPGA 的接 口,提出一种新的矩阵键盘和LCD 中英文二级字库显示的嵌入式实现方法,克服传统矩阵 键盘软件设计麻烦且浪费CPU系统资源等缺点,降低系统中LCD支持中英文字显示的成本、 功耗和控制复杂度,并且实现的组件和驱动程序具有可重用、便于移植等优点。

  本文采用的点阵型 LCD HY-12864E,分辨率为128×64,可显示16×16 的汉字32 个, 16×8 的英文字符64 个,还支持图形显示。LCD 内部集成两块HD61202液晶控制器分别控 制LCD 的左右半屏,HD61202 接口及功能如表1 所示。

  HY-12864E 的接口信号可以很方便地连接到NiosII 开发板的FPGA 引脚上,外部需要 5V 单电源供电,内部集成电压变换电路产生-10V 电压VEE,VEE 通过10K 欧可调电阻连 接到LCD 的Vo 端口提供负压控制点阵显示的亮度。由于FPGA 的IO 信号是3.3V 电平, 为了和LCD 的5V 电平对接,使用了总线 作缓冲处理。

  矩阵键盘的电路比较简单,4×4 的按键有横竖各四根信号线。每行信号线与按键的一端 相连,并且使用上拉电阻接到3.3V 电源上,同时使用0.1u 法的去耦电容消除按键抖动;每 列信号线与按键的另一端相连。电路原理图如图1 所示。

  传统矩阵键盘使用软件驱动控制,即在程序中循环扫描查询键盘的状态,以判断是否有 键按下,这种方法耗费CPU 资源,而且查询扫描结果可能出现误码。这里提出一种新的用 硬件描述语言在FPGA 中实现矩阵键盘控制的方法:使用时序电路扫描查询键盘,在发现 键按下的时候给出相应的键码和中断信号,以中断的方式处理按键。矩阵键盘扫描分4 个时 序,在每一个时序IOA14-IOA11 端口分别输出1110、1101、1011、0111 扫描码,分别控制 一列按键接地,在每个时序查询IOA10-IOA7 端口。程序设计的流程如图2 所示。

  最后,键盘控制程序封装为参数可配置的用户自定义外设组件,可以在SOPCBuilder 中直接添加使用。矩阵键盘组件的各个配置参数的说明如表2 所示。

  实测矩阵键盘一次按键接触时长约为 150ms 左右。因此要求150ms 内完成连续4 个时 序的全扫描,避免出现按键检测不到的情况;同时要求锁定延时超过150ms,避免误判连击。 设定64ms 完成一次全扫描,黄金城娱乐,锁定延时为256ms,默认连续4 次确认查询码不为1111 为按键 有效,时钟输入为50MHz,因此DIV_clk=25000(分频得到1ms 时基)、DIV_cycle=8(时 序长为16ms)、Delay=256(锁定延时256ms)、N=4。组件在NiosII 工程的接口如图3 所示。

  最后在 NiosII IDE 中设计矩阵键盘的驱动程序,安装键盘按键中断,编写按键的中断服 务程序,通过按键中断可以获取相应按键的键盘码。例程如下:

  考虑 LCD 控制器HD61202 的读写时序,这里将Avalon 总线从端口到LCD 的接口转换 电路,封装为用户外设组件添加到NiosII 工程中,如图3 所示。LCD 接口组件的读写信号 LCD_E 由从端口读有效lcd_rd_n 和写有效lcd_wr_n 与非产生,Avalon 从端口采用三位地址 线 所示设置从端口与LCD 接口信号的连接。

  基于 VGA 的中英文字库HZK16(16×16)和ASC16(16×8)可以从网上下载,但还不 能直接作为LCD 的中英文字库。中英文字在VGA 中是按照其内码到字库里查询到相应的 字模(一个16×8 英文字模是16 字节的数据,一个16×16 汉字模是32 字节的数据),将字 模数据一个字节一个字节地按行显示。而在LCD HY-12864E 中,字模的一个字节按列显示, 因而要对字库数据先作行列变换再作高低位置换才能在LCD 上正常显示,如图4 所示。