基于51单片机和FPGA 的人机交互系统的设计

　　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CycloneⅡ FPGA 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1 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[3]。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。

　　为使单片机的资源可以得到最大的开发，将单片机的高端口，即P4～P7 接入FPGA，并通过FPGA 对外部设备进行访问。在FPGA 中通过Verilog HDL 语言编程实现了3-8 译码器，从而实现了对单片机地址总线的扩展。该3-8 译码器对LCD 以及键盘的键值读取提供使能信号，如图2 所示。