應用CPLD和DSP的人機接口模塊設計

　　介紹一種基于CPLD和TMS320LF2407A型DSP的人機接口模塊應用系統，這種系統在新型路面剪切實(shí)驗機上得到了較好的應用，能夠很好地實(shí)現數據采集、電動(dòng)機調速等目的。以CPLD為橋梁，實(shí)現快速DSP和慢速外設的接口模塊設計，并給出其硬件電路原理圖。

　　CPLD選擇及其擴展模塊的設計

　　由于 DSP屬于高速器件， LCD為慢速外設，DSP對讀寫(xiě)周期較慢的 LCD進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，可采用以下兩種方式來(lái)解決 DSP與 LCD的時(shí)序匹配問(wèn)題：直接訪(fǎng)問(wèn)和間接訪(fǎng)問(wèn)。直接訪(fǎng)問(wèn)是將 DSP的讀寫(xiě)信號與 LCD接口的讀寫(xiě)信號直接相連，將 LCD的 8位數據線(xiàn)與 DSP的低 8位數據線(xiàn)相連（在 CPLD內部硬件編程完成），時(shí)序由 DSP內部讀寫(xiě)邏輯控制。由于 LCD的讀寫(xiě)周期較 DSP慢，要使兩者的時(shí)序匹配，還必須進(jìn)行一些時(shí)序方面的處理。間接訪(fǎng)問(wèn)用 DSP的 I/O口間接控制慢速設備，可以通過(guò)軟件控制 DSP的 I/O口來(lái)實(shí)現與慢速外設的時(shí)序匹配。該方法無(wú)需通過(guò)硬件擴展即可實(shí)現與任意慢速外設的時(shí)序匹配。在該顯示系統中，由于 CPLD的可在線(xiàn)硬件編程能力，這 2 種方法均可實(shí)現。這里采用第一種接法。 DSP與 LCD的硬件接口電路圖如圖 1所示。

　　CPLD硬件結構設計如圖所示

　　CPLD的設計主要是利用CPLD對鍵盤(pán)、液晶和各種狀態(tài)指示燈進(jìn)行控制。由于TMS320LF2407A的I/O管腳和各種特殊功能是復用的，如果將鍵盤(pán)、LCD顯示以及各種狀態(tài)指示燈直接和DSP相連的話(huà)，這將造成它的極大浪費，所以我們在它們中間用CPLD作為橋梁。

　　另一更為重要的原因是鍵盤(pán)和LCD顯示是在一個(gè)相對較低的速度下實(shí)現的，這對于高速數據處理的DSP來(lái)說(shuō)是無(wú)法接受的，我們設計的主要用意是：

　　對于LCD顯示，我們將DSP中的數據發(fā)送到CPLD，然后DSP去做其他的事情，而后續顯示的任務(wù)由CPLD完成，CPLD將在LCD允許的速度下對其進(jìn)行操作即可達到顯示目的。

　　對于鍵盤(pán)，我們將鍵盤(pán)的各種處理進(jìn)行完之后通過(guò)中斷來(lái)通知DSP，然后DSP進(jìn)行取數操作，這樣的話(huà)并不會(huì )影響到整個(gè)系統的運行速度。

　　液晶顯示模塊硬件設計

　　由于LCD具有低功耗、體積小、質(zhì)量輕、超薄等諸多其他顯示器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，它廣泛用干各種智能型儀器和低功耗電子產(chǎn)品中。對于數據采集系統來(lái)說(shuō)，液晶顯示模塊主要功能是顯示系統的采樣速率及試樣所受的應力值。為了解決快速DSP和慢速外設之問(wèn)接口的問(wèn)題，根據上述分析系統采用了以CPLD為橋梁的液晶顯示模塊。其主要的工作流程是：DSP把顯示的數據送給CPLD，然后DSP去做其他的事情，而后續顯示的任務(wù)將在LCD允許的速度下得到顯示。

　　液晶顯示模塊選擇

　　數顯液晶模塊：這是一種由段型液晶顯示器件與專(zhuān)用的集成電路組裝成一體的功能部什，只能顯示數字和一些標識符號。

　　液晶點(diǎn)陣字符模塊：它由點(diǎn)陣字符液晶顯示器件和專(zhuān)用的行列驅動(dòng)器及必要的連接件、結構件裝配而成，可以顯示數字和西文字符，一般本身具有字符發(fā)生器。這種模塊的點(diǎn)陣排列是由5×7成5 x 8,5×1的一組像素點(diǎn)陣排列而成的。每組為一位，每位間有一點(diǎn)間隔，每行間也有一點(diǎn)的間隔，所以不能顯示圖形。

　　直剪儀數據采集系統的顯示特點(diǎn)是不僅能顯示模擬拉剪的過(guò)程，也要能顯示中文、西文操作菜單和各種測量數據，所以以上兩種液晶顯示模塊均不符合本儀器的顯示要求。

　　我們選用的是大連東福的EDM240128F點(diǎn)陣圖形LCD。它的最大特點(diǎn)是具有獨特的硬件初始值設置功能，顯示驅動(dòng)所需的參數如占空比系數。驅動(dòng)傳輸的字節數/行及字符的字體選擇等均由引腳電平設置，這樣初始化在上電時(shí)就已經(jīng)基本設置完成，軟件操作的主要精力就可以全部用于顯示畫(huà)面的設計上了，可以圖形方式、文本方式及圖形和文本合成方式進(jìn)行顯示，以及文本方式下的特征顯示，還可以實(shí)現圖形拷貝操作。它采用T6963C內核控制器，圖2為液晶顯示模塊硬件設計的原理圖。

　　電平轉換芯片的選擇

　　由于CPLD為3.3V的器件，而LCD是5V的器件。所以為了CPLD和LCD之間的電平匹配，需要借助電平轉換芯片來(lái)完成從3.3v到5V之間的相互轉換。選擇的電平轉換芯片是TI公司的SN74LVC4245A芯片，這個(gè)芯片的數據傳輸方向是雙向的，在引腳DIR的作用下，既可以實(shí)現從3.3v向5v轉換，也可以實(shí)現從5v向3.3v轉換。

　　為了液晶模塊能夠正確的工作，液晶需要上電復位。本設計中采用的字體是8×8點(diǎn)，所以在硬件電路設計時(shí)將FS引腳拉低。

　　在硬件設計時(shí)，我們需要注意的問(wèn)題是：

　?。?）在VDD對地（Vss）間接0.1u左右電容去耦，接10u或20u電容濾波；

　?。?）模塊的復位腳/RST接一個(gè)復位電路，而且我們也將/RST與CPLD相連，這樣我們也可以利用DSP對其進(jìn)行復位，使得可以是液晶進(jìn)行定時(shí)刷新，預防一些其他干擾；

　?。?）在做實(shí)驗時(shí)，FG（鐵框地線(xiàn)、不能懸空，暫時(shí)與數字地連接。

　　鍵盤(pán)硬件設計

　　鍵盤(pán)在信號采集系統中是一個(gè)很關(guān)健的部件，它能向系統輸入數據、傳送命令等功能，是人工干預系統的主要手段，本系統所用鍵盤(pán)是常用的4×4矩陣式鍵盤(pán)。

　　16個(gè)鍵盤(pán)有0～9數字鍵，上翻，下翻鍵，編程鍵，輸入鍵，擦除鍵，點(diǎn)號健等。鍵盤(pán)的行線(xiàn)和列線(xiàn)分圳連接CPLD的一個(gè)I/O引腳。鍵盤(pán)的行線(xiàn)上有一個(gè)2.7k的上拉電阻將行線(xiàn)所連接的CPLD的I/O引腳上拉直高電平。

　　圖3為鍵盤(pán)設計的硬件原理圖。

　　鍵盤(pán)工作原理

　　按鍵設置在行、列線(xiàn)空點(diǎn)上，行、列線(xiàn)分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。行線(xiàn)通過(guò)上拉電阻接到3.3v上。平時(shí)無(wú)按鍵動(dòng)作時(shí)，行線(xiàn)處于高電平狀態(tài)，而當有按鍵按下時(shí)，行線(xiàn)的電平狀態(tài)將由與此行線(xiàn)相連的列線(xiàn)電平?jīng)Q定。列線(xiàn)電平如果為低，則行線(xiàn)電平亦為低，列線(xiàn)電平如果為高，則行線(xiàn)電平亦為高。這一點(diǎn)是識別矩陣鍵盤(pán)按鍵是否按下的關(guān)鍵所存。由于矩陣鍵盤(pán)中行、列線(xiàn)為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。因此各按鍵彼此將互相影響，所以必須將行、列線(xiàn)信號配合起來(lái)并作適當的處理，才能確定閉合鍵的位置。

　　結語(yǔ)

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：以 DSP為核心處理器，利用 CPLD來(lái)進(jìn)行邏輯轉換和控制，實(shí)現高速CPU處理器和低速外設接口的時(shí)序匹配，同時(shí)采用了移植性能和可讀性能高的 C程序設計，無(wú)需插入等待周期，在實(shí)際的嵌入式系統中成功運行，為快速處理器與慢速外設的接口設計提供了一種借鑒的方法。