基于单片机和FPGA的人机交互系统的设计

摘要：在仪器仪表电路中，人机交互界面是必不可少的环节。为了解决单纯采用单片机制作的系统功耗高、速度慢、电路结构繁琐的问题，同时为了 发挥出单片机的灵活性和FPGA的高速性，系统采用C805lF020单片机和CycloneⅡFPGA作为系统核心，设计实现了键盘、LCD等人机交互 功能，同时预留了部分I／O接口作为扩展接口使用。采用FPGA扫描键盘可以极大程度地节省单片机的资源，利用单片机和FPGA共同控制LCD可以更好地 体现出人机交互的特色。
关键词：人机交互；C805lF；T6963C；FPGA；键盘扫描

在现代各类仪器的开发中，人机交互功能正起着无可替代的作用。人机交互界面友好的仪器将更容易操作和使用，从而提高工作效率。液晶显示器(LCD)具有功 耗低、价格低、寿命长、接口控制方便等特点，在科研与设计领域正发挥着越来越大的作用。FPGA作为单片机外设的接口芯片，可以大大简化接口电路，通过对 FPGA进行编程，可以实现常用的译码、地址选通等功能。
本文以C8051F020单片机与FPGA互连系统为控制核心，以液晶显示控制器T6963C为例，结合行扫描键盘，简述了一种人机交互功能的设计。

1 系统设计方案
FPGA可在很大程度上扩展单片机的资源，然而人机交互功能仍应尽量减少对单片机及FPGA的资源消耗，以便将更多的片内资源用于其他功能的扩展。采用 FPGA扫描键盘可以节省单片机的资源，同时也能灵活地实现键盘的扩展。而考虑到液晶控制较复杂，依然采用单片机控制
LCD，使LCD的各种功能得到最大程度的利用，其系统框图如图1所示。

2 硬件电路及FPGA接口设计
2．1 总线接口设计
这里采用单片机C8051F020与CycloneⅡFPGA互连的系统。C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字 I／O引脚，与8051完全兼容，而且速度得到了极大提高，70％的指令执行时间为l或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。 此外，C8051F020系列MCU对CIP-51内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。如提供22个中断源、7个复 位源、可编程交叉开关、8位A／D转换器、12位D／A转换器等。
CycloneⅡ系列FPGA将低功耗FPGA的密度规模扩展至68 416个逻辑单元，并提供高达622个可用的I／O接口以及高达1．1 Mb的片内存储单元。CycloneⅡ系列成功实现了高效与低功耗的结合，可用于自动化、通信、视频播放等领域。为兼顾成本问题，本系统采用性价比较高的EP2C8型FPGA作为接口器件。