基于單片機C8051F120和FPGA器件實現(xiàn)嵌入式顯示系統(tǒng)的設(shè)計

嵌入式設(shè)備憑借其與使用者之間的親和力、自然的人機交互界面，得到了迅速的發(fā)展，滲透到生活中的各個角落。本文介紹的設(shè)計方法是以高性能的8位單片機C8051F120作為核心處理器，SRAM作為系統(tǒng)的顯存，FPGA實現(xiàn)時序轉(zhuǎn)換，構(gòu)建低溫（-10℃）下嵌入式顯示系統(tǒng)。通過PC機鍵盤和觸摸屏實現(xiàn)界面操作，最終在液晶顯示器上顯示國標一／二級漢字、ASCII字符和65 536色的彩色圖形和圖片，并制作了簡單的操作界面。

1 系統(tǒng)工作原理

顯示漢字、英文字符和彩色圖形的過程就是將字符和圖形信息轉(zhuǎn)換成液晶顯示器可以顯示的點陣信息。為了顯示字符，可以將ASCII碼字符點陣字庫和按區(qū)位碼排列的漢字點陣字庫存儲在單片機外接的Flash ROM中（構(gòu)成點陣數(shù)據(jù)區(qū)），并且將程序中用到的字符以機內(nèi)碼的形式存儲在Flash ROM中（構(gòu)成文本數(shù)據(jù)區(qū)）。顯示時，單片機將漢字機內(nèi)碼從文本數(shù)據(jù)區(qū)讀出，轉(zhuǎn)換成FlashROM中點陣數(shù)據(jù)區(qū)的字庫地址，通過該地址讀出字符的點陣數(shù)據(jù)，進一步轉(zhuǎn)換成液晶顯示器可顯示的數(shù)據(jù)并送給后續(xù)電路處理和顯示。這樣在操作過程中可以顯示包括國標一／二級漢字、大小寫英文字符、標點和數(shù)字等多種字符。顯示彩色圖形的時候，由于圖片的存儲空間要求比較大，系統(tǒng)中沒有足夠的空間，可以將PC機內(nèi)bmp格式的彩色圖片經(jīng)過格式轉(zhuǎn)化以后，通過串口送給單片機實時處理并顯示。

液晶顯示器工作頻率為4．5～6．8MHz，并且需要復雜的工作時序?？紤]到單片機的工作速度和液晶顯示器的工作頻率，一方面，液晶顯示器在工作頻率下不斷刷新才能工作，需要傳送大量的顯示數(shù)據(jù)和控制信息；另一方面，單片機要完成許多處理工作，即使工作在100MHz，也將成為系統(tǒng)運行速率的瓶頸。為了解決這個問題，再次加入一塊SRAM作為顯存，加入一塊FPGA實現(xiàn)時序轉(zhuǎn)換并控制和刷新液晶顯示器。FP GA分時地讀／寫SRAM，F(xiàn)PGA在時鐘的作用下，一半時間內(nèi)（時鐘信號為高電平時）從SRAM中讀出數(shù)據(jù)，不斷刷新液晶顯示器；另一半時間內(nèi)（時鐘信號為低電平時），如果單片機有送來要顯示的數(shù)據(jù)時，將此數(shù)據(jù)寫入SRAM中。分時操作的使用，能在不間斷地刷新液晶顯示器的同時，接收并存儲單片機的數(shù)據(jù)，使兩方面的工作互不影響，不僅減輕單片機的工作負擔，而且充分發(fā)揮了FPGA的性能。

選擇附有觸摸屏的液晶顯永器，將觸摸屏外接手寫識別控制器，就可以增加手寫識別功能，可提供友好的人機交互界面。由上述分析可以畫出系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在本嵌入式顯示系統(tǒng)中，采用了夏普公司型號為LQ0357DH01的液晶顯示器，工作溫度范圍在-10～70℃，最低工作溫度相對更低一些。

顯示模塊由一個彩色主動點陣式LCD模塊和無定形硅TFT構(gòu)成，因此可稱為AD-TFT（Advanced TFT）。它由彩色TFT-LCD面板、IC驅(qū)動、FPC、背光、電阻式觸摸屏和背部密封盒組成，但是模塊不包括控制電路。顯示屏工作頻率為4．5～6．8 MHz，分辨率為240×320像素，色彩位深為18位。圖形和文本能以262 11 4種顏色顯示在240x 320點陣的顯示屏上。但是考慮單片機的數(shù)據(jù)總線寬度為8位，為了簡化操作過程，可將色彩深度確定為16位，單片機分兩次發(fā)送每個像素的顏色數(shù)據(jù)。這樣的簡化操作也可以滿足顯示65 536色彩色圖形的要求。

為了提高整個系統(tǒng)的運行速度，采用型號為C8051F120的高性能8位單片機作為處理器。C8051F120使用Silicon Labs公司的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標準803x／805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。C8051F120可穩(wěn)定工作的最大系統(tǒng)時鐘頻率為100 MHz，峰值性能達到100MIPS。

Flash采用的是M29W400BB（512K×8位），它是一種可讀、可擦除、可重復編程的Flash。FPGA采用Xilinx公司Spartan-II系列產(chǎn)品XC2S1 00。XC2S100是一款具有10萬系統(tǒng)門的FPGA，在邏輯門數(shù)上能為系統(tǒng)提供足夠的邏輯電路，144引腳封裝形式的XC2S100可提供103個I／O端口，為系統(tǒng)器件提供足夠的I／O口資源。

關(guān)于SRAM的選擇，考慮到液晶顯示器的分辨率為240×320像素，每個像素點可顯示65 536色（16位），因此顯存的大小至少為240×320× 2B=150 KB。加入一塊512 KB的SRAM CY7C1041BV33作為顯存即可。CY7C1041BV33可以工作在字（word）操作模式下，方便顯示數(shù)據(jù)的存取，刷新液晶的過程中可將SRAM中的每個字與液晶的每個像素對應。

手寫識別采用型號為ePH1200AQ的手寫識別微控制器。ePH1200AQ硬件上集成了8位RISC微控制器、觸摸屏驅(qū)動器、接口UART、4 KB SRAM、32K字編程ROM和512K字數(shù)據(jù)ROM；軟件上則包含手寫識別內(nèi)核、字符集和筆跡收集軟件。當微控制器與外部觸摸屏相連接的時候，就可以組成手寫識別應用產(chǎn)品，比如SMS、移動電話或者手寫輸入設(shè)備。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括單片機和FPGA兩個部分。本文主要介紹單片機部分的軟件設(shè)計。

單片機完成的功能包括循環(huán)查詢兩個串口是否接收到新的數(shù)據(jù)，當某個串口接收到新的數(shù)據(jù)時，便采取相應含義的操作。顯示字符時，讀出Flash ROM中的點陣數(shù)據(jù)，進行轉(zhuǎn)換和處理后送給FPGA；顯示圖形時，按照沒定的圖形軌跡畫出點。

單片機在主程序中循環(huán)查詢兩個串口是否接收到新的數(shù)據(jù)，當任意一個串口產(chǎn)生中斷時，根據(jù)串口接收到數(shù)據(jù)的含義，采取相應的操作。主函數(shù)流程如圖2所示。

3．1 字符顯示原理

UCDOS軟件中的文件HZK16與文件ASC16分別為1 6×1 6的國標漢字點陣文件和8×1 6的ASCII碼點陣文件，以二進制格式存儲。在文件HZK 16中，按漢字區(qū)位碼從小到大依次存有國標區(qū)位碼表中的所有漢字，每個漢字占用32個字節(jié)（16×16的漢字點陣），每個區(qū)為94個漢字。在文件ASC16中按ASCII碼從小到大依次存有8×1 6的ASCII碼點陣，每個ASCII碼占用1 6個字節(jié)。

在PC機的文本文件中，漢字是以機內(nèi)碼的形式存儲的，每個漢字占用兩個字節(jié)。第一個字節(jié)為區(qū)碼，為了與ASCII碼區(qū)別，范圍從十六進制的0A1H開始（小于80H的為ASCII碼字符），對應區(qū)位碼中區(qū)碼的第一區(qū)；第二個字節(jié)為位碼，范圍也是從0A1H開始，對應某區(qū)中的第一個位碼。這樣，將漢字機內(nèi)碼減去0A0A0H就得該漢字的區(qū)位碼。例如漢字“我”的機內(nèi)碼為十六進制的“CED2”，其中“CE”表示區(qū)碼，“D2”表示位碼。所以“我”的區(qū)位碼為0CED2H-0A0A0H=2E32H。將區(qū)碼和位碼分別轉(zhuǎn)換為十進制得漢字“我”的區(qū)位碼為“4650”，即“房”的點陣位于第46區(qū)的第50個字的位置，相當于在文件HZK16中的位置為第32×［（46-1）×94+（50-1）］=67136 B以后的32個字節(jié)為“我”的顯示點陣。

依次讀出每個字節(jié)，每讀出一個字節(jié)，并提取該字節(jié)中的每一位，如果某位是“1”，則給該位數(shù)據(jù)對應的像素點送入兩個字節(jié)的字體顏色數(shù)據(jù)，如（0x0000，黑色）；如果某位是“0”，則給該位數(shù)據(jù)對應的像素點送入兩個字節(jié)的底色數(shù)據(jù)，如（0xffff，白色）。當發(fā)送完32個字節(jié)的點陣數(shù)據(jù)后（總共發(fā)送的顏色數(shù)據(jù)為32B×8dot×2B=512 B）液晶屏上便會顯示底色為白色，字體顏色為黑色的漢字。漢字“我”的顯示結(jié)果如圖3所示。

液晶顯示器的色彩深度為16位，每個像素可顯示65 536色。SRAM工作在字（word）操作模式下，將SRAM中的每個字與液晶顯示器的每個像素對應。比如將液晶顯示器第一行第一列的點與SRAM的0x0000地址對應，第一行第二列的點與0x0001地址對應，依次類推。

3．2 通過PC機鍵盤進行界面操作

通過PC機鍵盤進行界面操作時，使用電腦軟件將鍵盤的操作鍵值通過PC機串口發(fā)送給單片機串口0，單片機串口0每中斷一次接收到一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)可分為3種情況：數(shù)值大于0xA0時，說明該字節(jié)是某漢字兩字節(jié)數(shù)據(jù)中的一個字節(jié)；數(shù)值為0x20～0x7f時，表示該字節(jié)是可打印的ASCII碼字符；數(shù)值小于0x20時，表示該字節(jié)是不可打印的數(shù)值，可用這36個數(shù)值作為界面操作的控制命令字節(jié)。連續(xù)接收完兩個數(shù)值大于0xA0數(shù)據(jù)時，就可以轉(zhuǎn)換成某個漢字；每接收到一個數(shù)值為0x20～0x7f的數(shù)據(jù)時，就可以轉(zhuǎn)換成某個ASCII碼字符；每接收到一個數(shù)值小于0x20的數(shù)據(jù)時，就可以翻譯成某個操作命令，進行相應的控制操作。圖4為鍵盤接口操作中斷流程。

3．3 通過觸摸屏進行界面操作

通過觸摸屏進行界面操作時，手寫識別微控制器ePH1200AQ將手寫的軌跡封包后發(fā)送到單片機的串口1。操作過程中的數(shù)據(jù)主要包括輸入漢字時，識別輸入的筆畫，向單片機發(fā)送候選字；畫圖時，實時發(fā)送屏幕觸點的坐標；觸控時，發(fā)送觸控點的坐標。ePH1200AQ的通信協(xié)議命令格式如表1所列。

表1中的識別型態(tài)命令（0x10）的識別型態(tài)定義值定義了可以識別的字集，包括漢字一／二級字庫、大小寫英文字母、數(shù)字、符號、預設(shè)手勢、平假名和片假名。

ePH1200AQ與單片機串口1通信，發(fā)送的是命令封包，需要考慮封包的幀定位，確定封包的包頭和包尾。表1中的命令格式中，封包長度最長的命令為“發(fā)送候選字陣列”命令（命令代碼為0x18），ePH1200AQ發(fā)送的候選字個數(shù)最多為10個，每個候選字為兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)，該命令的最大長度為25字節(jié)，可創(chuàng)建一個具有25個元素的數(shù)組（uartl_RX_buffer［25］）作為命令緩存。

結(jié)語

本文設(shè)計了一種以C8051F120作為核心處理器的嵌入式彩色圖形顯示系統(tǒng)，其突出的優(yōu)點是實時性強、接口電路簡單、可擴展性強。該系統(tǒng)集成度高，攜帶方便，實用性強，在很多領(lǐng)域都具有應用性，具有一定的研究和應用價值。