人机接口界面HMI在基于FPGA的嵌入式系统中的设计实现

杨亦红

摘 要：文章使用FPGA器件，结合包括TSK51等多种IP软核实现了基于FPGA的嵌入式电子系统的基本人机接口（HMI）的硬件设计。在线缆检测系统的应用证明，该系统能够将在单芯片上就解决人机界面硬件电路的驱动，有助于完成传统51单片机系统的包括人机接口界面的完整平台移植，对有效地降低系统硬件成本。

关键词：人机接口界面HMI；FPGA的嵌入式系统；研究

引言

随着大规模逻辑集成电路设计技术的进步和制造工艺水平的提高，单个芯片上的逻辑门数的增加，基于FPGA为控制核心的嵌入式系统的设计已逐渐流行。这时，人机接口界面（HMI）在传统嵌入式系统中，基于微处理器CPU管理的工作方式能否沿用到基于FPGA的嵌入式系统中来，将会影响到系统开发的效率。文章在Altium电子设计软件平台上，通过从FPGA中引入IP核进行单芯片系统（SOC）电路设计，可用来完成传统51单片机系统的包括人机接口界面的完整平台移植，具有一定的实践意义。

1 结构与工作原理

电子电路设计软件Altium允许在FPGA中设计、实现及调试基于微处理的数字设计。这可以通过采用原理图输入、VHDL设计输入或混合输入方法设计电路，经综合和适配等编译动作，并下载到处理器中后，FPGA中就可实现一个基于微处理器的电子系统。文章采用该软件提供的TSK51 IP核、RS232 IP核、PS2 IP核及LCD IP核等完成了包括键盘、通信、显示等模块人机接口的基本嵌入式系统的设计，该设计可以完美复用传统基于51单片机的系统电路。

1.1 IP核模块

1.1.1 TSK51核

TSK51核是一个全功能的采用哈佛结构的8位微处理器，它执行ASM51汇编语言指令，其指令系统与传统80C31兼容，具有软件和硬件中断、一个全双工串行通信接口和一个定时器系统。其技术特性包括：（1）控制器：8位指令解码器。算术逻辑单元：8位算术运算、8位逻辑运算、布尔运算、8×8乘法运算、8/8除法运算。（2）32位输入输出端口：4个8位输入输出端口。两个16位定时器/计数器。（3）全双工模式串行接口：固定波特率的同步模式、可变波特率的8位UART模式、固定波特率的UART模式、可变波特率的9位UART模式、多处理器通信。（4）中断控制器：两组优先级。（5）内部存储器接口：可寻址多达64KB的内部程序存储器空间、可寻址多达256B的读/写数据存储器空间。外部存储器接口：可寻址多达64KB的外部程序存储器空间、可寻址多达64KB的外部数据存储器空间。

因此可以使用TSK51进行设计的FPGA电路，可以完全使用8051单片机的编程知识进行设计。

1.1.2 PS2控制器IP核

PS2控制器IP核，可以实现PS2控制器与PS2设备之间的双向通信：

（1）PS/2设备向PS2控制器传输数据。当控制器在空闲状态（PS2DATA=1，PS2CLK=1）时，PS/2设备随时可以向控制器发送数据，然后PS/2设备在等半个PS2CLK周期后才开始传输。传输按数据帧方式进行，每帧包括一字节数据，帧数据取决于需要传输的消息的字节数。

（2）PS2控制器向PS/2设备传输数据。当主MCU要通过PS2控制器向PS/2设备发送一个命令时，STROBE引脚要至少维持一个外部系统时钟周期（CLK input），这将使PS2控制器从DATAI线上取得要传输的数据。要激活传输，PS2控制器需要进入"主机发送请求状态"，这将通过以下步骤达成：a.首先PS2CLK维持至少一个时钟周期（进入禁止传输状态）；b.PS2DATA然后变低（提供欲发送帧的Start位）；c.然后释放PS2CLK线（仍然保持PS2DATA为低）。

1.1.3 LCD 16×2A控制器

采用有限状态机实现，当设备复位后，将执行一系列LCD初始化动作。控制最大的操作频率是80MHz。其工作过程如下：

（1）控制器复位。当RST信号有效时，BUSY信号也变为有效，以指示控制器处于复位状态，不可以被使用。当RST无效时，控制将执行KS0066U兼容LCD面板的标准初始化动作序列。

（2）LCD初始化动作序列。全部初始化阶段下BUSY信号是有效的，结果是所有写到控制器的数据将被忽略。a.定义指令集-这一状态下，LCD控制器被编程设置数据长度、使用几行、及使用什么字体。控制器分别设置这些值为8位、2行、和5×8像素。b.等待39us。c.显示ON/OFF控制-在这一状态下，LCD控制器被编程设置显示、光标和光标闪烁设置：Display-ON、Cursor-OFF、光标闪烁-OFF。d.等待39us。e.清显示-这一状态下，ASCII码20h（空格字符）将写入到LCD 面板。f.DDRAM（数据存储器）和字符地址设为0h（面板的左上角）。这一位置后，所有地址有一个空格字节，因此LCD面板被清空。g.等待39us。g.初始化完成-BUSY变无效。之后可以使用LCD面板了。

（3）将数据显示在LCD面板上。当BUSY无效时，LCD控制器等待数据，准备在LCD面板上显示一个新的字符，这就是等待数据状态。要发起显示操作，ADDR， DATA 和 LINE信号必须是稳定的，且STROBE 端口用于触发操作。当STROBE信号有效时，将进行如下动作：a.LCD面板上的字符位置（由4-bit ADDR总线定义），被装入到控制器的地址寄存器 （ADDREG）。b.字符显示的行（由LINE信号定义），被装入到控制器行选择寄存器（LINESEL）。c.实际要显示的字符（由8位数据总线定义）， 被装入到控制器数据寄存器（DATREG）。d.控制器FSM然后进入‘设置地址状态，BUSY信号同时变为有效。ADDREG和LINSEL寄存器的内容被传递到LCD面板。e.控制器然后等待39us，接着，FSM进入‘显示字符状态。f.这时无论DATREG中的什么数据也都能写入到LCD字符存储器中。g.控制器等待LCD面板完成操作，然后回到‘等待数据状态，等待显示下一字符。BUSY信号这时变为无效。

2 系统软件设计

所有IP核都作为FPGA内部的组成模块，TSK51核作为兼容80C31指令系统的CPU核，起到主处理器的作用。RAMS_8*2K是其内部RAM，在其上可以移植传统51系统的所有代码。程序的主体结构如下所示。

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）

{

//在些检测按键并显示

LCDClear（0）；

displaychar = KeyboardMapKey（key）；

LCDDisplayChar（displaychar）；

//……类似方式显示其它内容

}

}

3 结束语

文章通过IP核，在基于FPGA的嵌入式系统中实现了基本人机接口界面（HMI）的设计，由于其具有兼容51系统的指令集的特点，可以完美地实现传统基本51CPU的嵌入式系统的平台移植，本系统承担了线缆检测系统中的主控制器，运行效果良好。这一方案对于早期设备的改进和再创新具有实际意义。

参考文献

[1]葉明.基于HMI控制系统中数据采集技术的应用与研究[D].武汉理工大学，2006.

[2]刘凯.基于FPGA的系统设计和应用研究[D].国防科学技术大学，2005.

[3]龚宇洁.嵌入式HMI组态软件研究与设计[D].武汉理工大学，2009.

[4]马伟民.基于组件技术的人机界面（HMI）研究[D].杭州电子科技大学，2009.