点阵型LCD 和矩阵键盘电路原理图

摘要：本文利用NiosII软核设计LCD和矩阵键盘接口，以中断代替查询完成对矩阵键盘的控制；设计点阵型LCD与NiosII的接口，实现对LCD中英文显示的支持。

矩阵键盘控制和LCD接口均做成自定义外设组件，可重用、便于移植，体现了SOPC技术设计的优势。

引言
Altera公司在其FPGA中实现的Nios/NiosII 软核是最近几年提出的SOPC（System on a Programmable Chip，片上可编程系统）技术的应用代表，核心是在FPGA 上实现软硬件资源可编程、可配置、可裁减、可升级的系统。

本文以NiosII 可重编程、可重配置用户外设组件的方法为指导，结合PDA 项目设计需要，设计制作了LCD 和矩阵键盘到FPGA 的接口，提出一种新的矩阵键盘和LCD 中英文二级字库显示的嵌入式实现方法，克服传统矩阵键盘软件设计麻烦且浪费CPU系统资源等缺点，降低系统中LCD支持中英文字显示的成本、功耗和控制复杂度，并且实现的组件和驱动程序具有可重用、便于移植等优点。

1. LCD 和矩阵键盘模组的硬件设计
本文采用的点阵型 LCD HY-12864E，分辨率为128×64，可显示16×16 的汉字32 个，16×8 的英文字符64 个，还支持图形显示。

LCD 内部集成两块HD61202液晶控制器分别控制LCD 的左右半屏，
HD61202 接口及功能如表1 所示。

HY-12864E 的接口信号可以很方便地连接到NiosII 开发板的FPGA 引脚上，外部需要 5V 单电源供电，内部集成电压变换电路产生-10V 电压VEE，VEE 通过10K 欧可调电阻连接到LCD 的Vo 端口提供负压控制点阵显示的亮度。

由于FPGA 的IO 信号是3.3V电平，为了和LCD 的5V 电平对接，使用了总线收发芯片SN74LS245作缓冲处理。

矩阵键盘的电路比较简单，4×4 的按键有横竖各四根信号线。

每行信号线与按键的一端相连，并且使用上拉电阻接到3.3V 电源上，同时使用0.1u法的去耦电容消除按键抖动；每列信号线与按键的另一端相连。

电路原理图如图1 所示。

图 1 点阵型LCD 和矩阵键盘电路原理图
2. 矩阵键盘的驱动控制设计与软件编程
传统矩阵键盘使用软件驱动控制，即在程序中循环扫描查询键盘的状态，以判断是否有键按下，这种方法耗费CPU 资源，而且查询扫描结果可能出现误码。

这里提出一种新的用硬件描述语言在FPGA 中实现矩阵键盘控制的方法：使用时序电路扫描查询键盘，在发现键按下的时候给出相应的键码和中断信号，以中断的方式处理按键。

矩阵键盘扫描分4 个时序，在每一个时序IOA14-IOA11 端口分别输出1110、1101、1011、0111 扫描码，分别控制一列按键接地，在每个时序查询IOA10-IOA7 端口。

程序设计的流程如图2 所示。

图 2 矩阵键盘扫描流程图
最后，键盘控制程序封装为参数可配置的用户自定义外设组件，可以在SOPC Builder 中直接添加使用。

矩阵键盘组件的各个配置参数的说明如表2 所示。

表2 矩阵键盘组件参数说明
实测矩阵键盘一次按键接触时长约为 150ms 左右。

因此要求150ms 内完成连续4 个时序的全扫描，避免出现按键检测不到的情况；同时要求锁定延时超过150ms，避免误判连击。

设定64ms 完成一次全扫描，锁定延时为256ms，默认连续4 次确认查询码不为1111为按键有效，时钟输入为50MHz，因此
DIV_clk=25000（分频得到1ms 时基）、DIV_cycle=8（时序长为16ms）、Delay=256（锁定延时256ms）、N=4。

组件在NiosII 工程的接口如图3 所示。

图3 NiosII 工程中矩阵键盘和LCD 组件接口图
最后在 NiosII IDE 中设计矩阵键盘的驱动程序，安装键盘按键中断，编写按键的中断服务程序，通过按键中断可以获取相应按键的键盘码。

例程如下：
/* 初始化键盘中断 */ // enable the interrupt
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(KEY _BOARD_IRQ _BASE,0xf);
// reset irq edge registers
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(KEY _BOARD_IRQ _BASE,0x0);
// active the irq server when irq generate
alt_irq_register(KEY_BOARD_IRQ _IRQ,edge_cap_ptr,key_irq_handle);
/* 中断服务程序 */ //capture the irq edge change
*key_edge=IORD_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(KEY_BOARD_IRQ _BASE);
// read the key board code
key_code=IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEY_BOARD_4x4_BASE);
// reset irq edge registers
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(KEY_BOARD_IRQ _BASE,0x0);
3. LCD 组件设计及中英文显示的实现
考虑 LCD 控制器HD61202 的读写时序，这里将Avalon 总线从端口到LCD 的接口转换电路，封装为用户外设组件添加到NiosII 工程中，如图3 所示。

LCD 接口组件的读写信号 LCD_E 由从端口读有效
lcd_rd_n 和写有效lcd_wr_n 与非产生,Avalon 从端口采用三位地址线lcd_addr[2..0]，如表3 所示设置从端口与LCD 接口信号的连接。

表 3：Avalon 从端口地址线与LCD 信号的连接
基于 VGA 的中英文字库HZK16（16×16）和ASC16（16×8）可以从网上下载，但还不能直接作为LCD 的中英文字库。

中英文字在VGA 中是按照其内码到字库里查询到相应的字模（一个16×8 英文字模是16 字节的数据，一个16×16 汉字模是32 字节的数据），将字模数据一个字节一个字节地按行显示。

而在LCD HY-12864E 中，字模的一个字节按列显示，因而要对字库数据先作行列变换再作高低位置换才能在LCD 上正常显示，如图4 所示。

图 4 VGA 和HY-12864E 字模显示示意图
变换后的字库文件HZK16_lcd.bin 和ASC16_lcd.bin 通过Nios II Command Shell 的命令 bin2flash 转换为.Flash文件后就可以下载到NiosII 开发板中Flash 特定位置，供中英文显示时字模查询使用，假定Flash 大小是2Mbytes，起始地址是0x0，方法如下：
bin2flash--location=0x100000--input=HZK16_lcd.bin --output=HZK16_lcd.flash
bin2flash --location=0x10ffff --input=ASC16_lcd.bin --output=ASC16_lcd.flash
nios2-flash-programmer --base=0x0 HZK16_lcd.flash（中文字库下载到Flash 的0x100000 位置）
nios2-flash-programmer --base=0x0 ASC16_lcd.flash （英文字库下载到Flash 的0x10ffff 位置）
由于 LCD 是接在Avalon 总线的从端口上的，在完成LCD 用户组件时使用的地址映射（Slave Addressing）是memory方式，这种方式可以支持一个字节（8bits）宽度的数据访问，而LCD 的数据宽度也是一个字节，因此可以使用IOWR_8DIRECT(BASE，OFFSET，DATA) 和IORD_8DIRECT(BASE，OFFSET)函数完成对LCD 的写、读操作，根据前面地址线的连接定义，我们可以定义对LCD 的操作函数如表4 所示。

表 4：LCD 的读写操作函数定义
这里的 LCD_HY12864_BASE 为LCD 在NiosII 软核中的基地址。

HD61202 控制器通过写相应的命令控制LCD 显示的开关、起始行号、操作的行地址列地址等，通过读状态获得LCD 的工作信息，通过读/写数据指令读出写入RAM 中的数据。

在这些基本的LCD 读写函数上，定义LCD 操作的宏参数，编写一些对LCD 的操作函数：LCD 初始化函数、清行函数、置行函数、显示一行中英文的函数等。

其中显示一行中英文流程如图5 所示。

图 5 中英文显示流程图
4. 本文创新点
最后经过测试，矩阵键盘按键中断响应准确无误，由于扫描的过程由硬件实现，不占用 CPU 资源，大大提高了系统的性能。

LCD 可以接收任意中英文的输入显示。

在开发设计过程中，矩阵键盘和LCD 接口均封装为用户自定义外设组件，加入SOPC Builder 的元件库中，可以很方便地在其他系统中根据实际情
况添加使用，二者的驱动程序也可以很方便地移植到其他工程设计中，体现出了SOPC 片上可编程系统灵活、方便、可重用的优势。

本文设计的矩阵键盘和LCD 成功应用到笔者设计的PDA 项目中。

来源:星梦居。