人機接口界面HMI在基于FPGA的嵌入式系統中的設計實現

楊亦紅

摘 要：文章使用FPGA器件，結合包括TSK51等多種IP軟核實現了基于FPGA的嵌入式電子系統的基本人機接口（HMI）的硬件設計。在線纜檢測系統的應用證明，該系統能夠將在單芯片上就解決人機界面硬件電路的驅動，有助于完成傳統51單片機系統的包括人機接口界面的完整平臺移植，對有效地降低系統硬件成本。

關鍵詞：人機接口界面HMI；FPGA的嵌入式系統；研究

引言

隨著大規模邏輯集成電路設計技術的進步和制造工藝水平的提高，單個芯片上的邏輯門數的增加，基于FPGA為控制核心的嵌入式系統的設計已逐漸流行。這時，人機接口界面（HMI）在傳統嵌入式系統中，基于微處理器CPU管理的工作方式能否沿用到基于FPGA的嵌入式系統中來，將會影響到系統開發的效率。文章在Altium電子設計軟件平臺上，通過從FPGA中引入IP核進行單芯片系統（SOC）電路設計，可用來完成傳統51單片機系統的包括人機接口界面的完整平臺移植，具有一定的實踐意義。

1 結構與工作原理

電子電路設計軟件Altium允許在FPGA中設計、實現及調試基于微處理的數字設計。這可以通過采用原理圖輸入、VHDL設計輸入或混合輸入方法設計電路，經綜合和適配等編譯動作，并下載到處理器中后，FPGA中就可實現一個基于微處理器的電子系統。文章采用該軟件提供的TSK51 IP核、RS232 IP核、PS2 IP核及LCD IP核等完成了包括鍵盤、通信、顯示等模塊人機接口的基本嵌入式系統的設計，該設計可以完美復用傳統基于51單片機的系統電路。

1.1 IP核模塊

1.1.1 TSK51核

TSK51核是一個全功能的采用哈佛結構的8位微處理器，它執行ASM51匯編語言指令，其指令系統與傳統80C31兼容，具有軟件和硬件中斷、一個全雙工串行通信接口和一個定時器系統。其技術特性包括：（1）控制器：8位指令解碼器。算術邏輯單元：8位算術運算、8位邏輯運算、布爾運算、8×8乘法運算、8/8除法運算。（2）32位輸入輸出端口：4個8位輸入輸出端口。兩個16位定時器/計數器。（3）全雙工模式串行接口：固定波特率的同步模式、可變波特率的8位UART模式、固定波特率的UART模式、可變波特率的9位UART模式、多處理器通信。（4）中斷控制器：兩組優先級。（5）內部存儲器接口：可尋址多達64KB的內部程序存儲器空間、可尋址多達256B的讀/寫數據存儲器空間。外部存儲器接口：可尋址多達64KB的外部程序存儲器空間、可尋址多達64KB的外部數據存儲器空間。

因此可以使用TSK51進行設計的FPGA電路，可以完全使用8051單片機的編程知識進行設計。

1.1.2 PS2控制器IP核

PS2控制器IP核，可以實現PS2控制器與PS2設備之間的雙向通信：

（1）PS/2設備向PS2控制器傳輸數據。當控制器在空閑狀態（PS2DATA=1，PS2CLK=1）時，PS/2設備隨時可以向控制器發送數據，然后PS/2設備在等半個PS2CLK周期后才開始傳輸。傳輸按數據幀方式進行，每幀包括一字節數據，幀數據取決于需要傳輸的消息的字節數。

（2）PS2控制器向PS/2設備傳輸數據。當主MCU要通過PS2控制器向PS/2設備發送一個命令時，STROBE引腳要至少維持一個外部系統時鐘周期（CLK input），這將使PS2控制器從DATAI線上取得要傳輸的數據。要激活傳輸，PS2控制器需要進入"主機發送請求狀態"，這將通過以下步驟達成：a.首先PS2CLK維持至少一個時鐘周期（進入禁止傳輸狀態）；b.PS2DATA然后變低（提供欲發送幀的Start位）；c.然后釋放PS2CLK線（仍然保持PS2DATA為低）。

1.1.3 LCD 16×2A控制器

采用有限狀態機實現，當設備復位后，將執行一系列LCD初始化動作。控制最大的操作頻率是80MHz。其工作過程如下：

（1）控制器復位。當RST信號有效時，BUSY信號也變為有效，以指示控制器處于復位狀態，不可以被使用。當RST無效時，控制將執行KS0066U兼容LCD面板的標準初始化動作序列。

（2）LCD初始化動作序列。全部初始化階段下BUSY信號是有效的，結果是所有寫到控制器的數據將被忽略。a.定義指令集-這一狀態下，LCD控制器被編程設置數據長度、使用幾行、及使用什么字體。控制器分別設置這些值為8位、2行、和5×8像素。b.等待39us。c.顯示ON/OFF控制-在這一狀態下，LCD控制器被編程設置顯示、光標和光標閃爍設置：Display-ON、Cursor-OFF、光標閃爍-OFF。d.等待39us。e.清顯示-這一狀態下，ASCII碼20h（空格字符）將寫入到LCD 面板。f.DDRAM（數據存儲器）和字符地址設為0h（面板的左上角）。這一位置后，所有地址有一個空格字節，因此LCD面板被清空。g.等待39us。g.初始化完成-BUSY變無效。之后可以使用LCD面板了。

（3）將數據顯示在LCD面板上。當BUSY無效時，LCD控制器等待數據，準備在LCD面板上顯示一個新的字符，這就是等待數據狀態。要發起顯示操作，ADDR， DATA 和 LINE信號必須是穩定的，且STROBE 端口用于觸發操作。當STROBE信號有效時，將進行如下動作：a.LCD面板上的字符位置（由4-bit ADDR總線定義），被裝入到控制器的地址寄存器 （ADDREG）。b.字符顯示的行（由LINE信號定義），被裝入到控制器行選擇寄存器（LINESEL）。c.實際要顯示的字符（由8位數據總線定義）， 被裝入到控制器數據寄存器（DATREG）。d.控制器FSM然后進入‘設置地址狀態，BUSY信號同時變為有效。ADDREG和LINSEL寄存器的內容被傳遞到LCD面板。e.控制器然后等待39us，接著，FSM進入‘顯示字符狀態。f.這時無論DATREG中的什么數據也都能寫入到LCD字符存儲器中。g.控制器等待LCD面板完成操作，然后回到‘等待數據狀態，等待顯示下一字符。BUSY信號這時變為無效。

2 系統軟件設計

所有IP核都作為FPGA內部的組成模塊，TSK51核作為兼容80C31指令系統的CPU核，起到主處理器的作用。RAMS_8*2K是其內部RAM，在其上可以移植傳統51系統的所有代碼。程序的主體結構如下所示。

void main（void）

{

……

InitInterrupt0（）；

InitLCD（）； LCDClear（0）； LCDClear（1）；

LCDDisplayLine（"Init KBRD..."， 0， 12， 0）；

KeyboardInit（）；

while （keyboard_sent_init_sequence == 0） { }

LCDDisplayLine（"KBRD Initialized"，0， 16， 0）；

while （1）

{

//在些檢測按鍵并顯示

LCDClear（0）；

displaychar = KeyboardMapKey（key）；

LCDDisplayChar（displaychar）；

//……類似方式顯示其它內容

}

}

3 結束語

文章通過IP核，在基于FPGA的嵌入式系統中實現了基本人機接口界面（HMI）的設計，由于其具有兼容51系統的指令集的特點，可以完美地實現傳統基本51CPU的嵌入式系統的平臺移植，本系統承擔了線纜檢測系統中的主控制器，運行效果良好。這一方案對于早期設備的改進和再創新具有實際意義。

參考文獻

[1]葉明.基于HMI控制系統中數據采集技術的應用與研究[D].武漢理工大學，2006.

[2]劉凱.基于FPGA的系統設計和應用研究[D].國防科學技術大學，2005.

[3]龔宇潔.嵌入式HMI組態軟件研究與設計[D].武漢理工大學，2009.

[4]馬偉民.基于組件技術的人機界面（HMI）研究[D].杭州電子科技大學，2009.