基于FPGA的简易计算器的设计

曾小宝张家界航空工业职业技术学院



基于FPGA的简易计算器的设计

曾小宝
张家界航空工业职业技术学院

本文介绍了一款基于FPGA的8051单片机IP核的简易计算器的设计。系统硬件采用EP3C5E144芯片设计开发，软件采用康芯公司提供的8051单片机IP核设计开发，该设计使用Quartus9.0开发环境来设计FPGA片上系统，采用C语言设计8051单片机程序，并使用Keil开发环境来编程开发。系统外围硬件设备主要包括液晶显示模块，键盘输入模块，蜂鸣器模块，LED灯模块；其中信息显示使用LCD1602液晶显示模块，信息输入使用矩阵键盘模块，LED灯用于监视程序运行状态，蜂鸣器设计用于产生按键辅助提示音。本文设计的简易计算器实现了有符号整数的加、减、乘、除表达式运算显示功能和日历时间显示功能，实验测试表明，系统能够稳定、可靠地运行。

FPGA 8051单片机 IP核 计算器

1　引言

随着现代EDA（Electronic Designed Automation）技术的发展和大规模FPGA（Field－Programmable Gate Ar ray）器件的出现，嵌入式软核处理器在嵌入式系统设计开发中的应用越来越广泛，与传统的基于微控制器芯片的开发方式相比，IP核（Intel lectual Property Core）受硬件条件限制小，具有更大的灵活性，可缩短系统的设计开发时间。采用FPGA与IP核相结合进行嵌入式系统开发，为设计人员提供了一种新的快捷高效的设计方法。

本文设计的简易计算器是在FPGA芯片内嵌入8051单片机IP核作为主控制器，并利用FPGA的内部资源来构造出单片机系统必需的PLL模块、RAM模块和ROM模块，另外，因为4X4矩阵按键扫描和LCD1602读忙操作都需要具有输入输出双向功能的I/O口，因此系统设计了相应的双向I/O口电路，此外，为了实现4X4矩阵按键的中断扫描工作方式，还专门设计了按键中断信号产生电路。

2　系统硬件方案设计

本文设计的简易计算器系统硬件主要由电源模块、EEPROM模块、4X4矩阵键盘模块、LCD1602液晶显示模块、蜂鸣器和LED监视灯等构成，如下图1所示为简易计算器系统的硬件框图。其中，EEPROM是采用EPCS4芯片设计，该芯片具有512KB的存储容量，可用于存储FPGA的程序代码，系统上电后，FPGA可从EEPROM中读取程序代码运行。设计考虑到计算器需要较多输入按键，系统采用4X4的矩阵键盘作为输入设备，该设计只需要8位数据线就可提供16个有效按键，具有占用资源少、使用高效、设计紧凑等优点。

3　矩阵键盘

在采用轮询扫描工作方式情况下，无法确保按键的可靠响应，同时周期性地扫描操作极大地占用了CPU的资源，甚至影响其他程序的正常运行，因此，本文采用中断扫描方式设计矩阵按键的程序，由此需要利用矩阵键盘的8位数据线来生成中断信号，根据矩阵键盘扫描工作方式的原理，利用矩阵键盘的4位输入线（P0口高四位为键盘的行数据线）通过一个四输入与门可生成需要的按键中断信号，当某个按键按下时，P0［4］到P0［7］四个输入线电平之一变为0，则按键中断信号P3I［2］也变为0，信号P3I［2］与8051单片机的外部中断0管脚连接。在单片机初始化程序中，设置外部中断0为低电平触发方式，并启动外部中断0 ，当外部按键按下时，按键中断信号就会变为低电平而触发按键中服务程序，在按键中断服务程序中，逐列送出扫描电平，并判断按键行号，然后根据行列值计算按键编码，由此，实现按键动作的识别和编码。

4　调试与分析

系统的实验测试使用了康芯公司设计的EP3C5E144开发板硬件平台，FPGA开发设计软件采用Quartus9.0版本，单片机C程序开发采用Kei l uVision4。在开发调试过程中，我们遇到了很多问题，比如，在LCD1602液晶显示设计中，由于没有对液晶进行读忙操作，使得液晶初始化操作异常，导致液晶显示异常的问题，通过加入读忙操作，可确保液晶可靠初始化，从而解决液晶显示异常问题。读忙的操作要求单片机的I/O具备双向功能，为此，系统需要给8051单片机IP核设计双向I/O的接口电路.

5　结论

本文利用8051单片机IP核设计的简易计算器能够进行加、减、乘、除表达式运算，输入设备采用使用普遍、占用资源少的4X4矩阵键盘，输出设备采用价格低廉、性能稳定可靠的LCD1602液晶显示器；另外，系统使用蜂鸣器产生提示音来辅助用户的输入操作，使得人机交互操作更加简单便捷。LED监视灯的设计则可以让用户实时了解系统运行状况，确保系统运行稳定可靠。通过本文简易计算器实例的设计，验证了在嵌入式系统中，使用IP核可以加快设计过程，缩短设计周期，提高设计效率。

［1］ 苏学颖. 基于8051单片机IP软核的优化设计及应用研究［D］. 西华大学 2007

［2］ 王瑞，游志宇，杜杨，王军. MC8051单片机IP核的FPGA实现与应用［J］. 电子设计工程. 2009（01）

［3］ 徐慧，王金海，王巍. 基于FPGA的8051IP核的设计与实现［J］. 计算机技术与发展. 2009（03）