船舶嵌入式微控制器的非编码键盘与显示器接口

摘要

本发明提供一种船舶嵌入式微控制器的非编码键盘与显示器接口，特别适用于智能化仪表的小键盘与LCD/LED显示器接口，以克服现有的微控制器键盘所需芯片种类多、数量大，占有印刷线路板面积大，设计时几乎没有灵活性的缺陷。该接口，包括可编程逻辑器件构成的逻辑电路，所述逻辑电路的输入端与输出端分别与微控制器与显示器相连。本发明提供了一种新的基于芯片设计方法，用复杂可编程逻辑器件设计成嵌入式微控制器的非编码键盘与LCD/LED显示器接口，仅用一片芯片提供一个基于单片机系统总线的键盘与LCD/LED显示器接口，该接口不但不占用单片机系统资源，还扩展系统外接能力。

说明书

技术领域

本发明涉及微控制器与键盘、显示器接口技术领域，具体地说，涉及船舶嵌入式微控制器的非编码键盘与显示器接口，特别适用于船舶智能化仪表的小键盘与LCD/LED显示器接口。

背景技术

键盘与LCD/LED显示器是单片微型计算机控制系统常用的人-机界面，如一些教学与科研设备和船舶系统的控制与显示仪表，使用者借助面板上的键盘和显示屏，可用对话方式选择测量功能，设置参数。智能化仪器仪表核心是单片机，由于单片机主要应用于控制领域，习惯把单片机称为微控制器MCU(MicrControler Unit)，微控制器用以实现各种测量和控制功能，单片机功能强、体积小，在应用时通常是处于控制系统的核心地位并融入其中，所以又称嵌入式微控制器。从结构上看单片机把微型计算机主要部件，集成在一块芯片上。但组成微型计算机测量和控制系统还必须包括外围设备和通信设备，如键盘与显示器。

这些实际系统往往希望器件的结构紧凑，要求占用较少的MCU I/O口资源，对于键盘与LED显示器要求通过一个接口进行连接；同时要求键盘/显示器与接口的连接线要少；要求接口有良好的通用性。因此，研制单片机系统的键盘和LCD/LED显示器的高性能接口有实际的应用意义。

单片机系统外围电路设计一般的方法是用通用可编程接口(如8255)和标准集成芯片进行扩展，通过印刷电路板连接，搭建系统。这种设计方法，所需芯片种类多、数量大，占有印刷线路板面积大，设计时几乎没有灵活性可言，大大制约接口技术的发展。

中国专利ZL 200520046271.7提供了一种基于基本总线的键盘与LED显示器接口模块，包含基本总线、键盘、显示器接口芯片8279，连接插头，其特征在于：a.基本总线的控制信号通过双向控制线及驱动芯片与控制芯片的控制线口连接，该双向控制线还与驱动芯片，动态芯片相连接；基本总线的数据信号通过双向数据线及驱动芯片与控制芯片的双向数据线口连接；基本总线的地址信号通过单向地址线与驱动芯片连接，然后地址中的高位通过片选译码芯片产生片选信号与控制芯片的控制线口的片选信号线连接，地址中的低位信号直接连接到控制芯片的地址线口；b.控制芯片的键盘状态端通过连接插头与两个状态键相连，控制芯片的扫描输出口通过动态扫描线与显示扫描译码芯片和键盘扫描译码芯片连接，键盘扫描译码芯片输出键盘扫描信号，通过连接插头输出到键盘列阵，控制芯片的键盘扫描回归口通过连接插头与键盘列阵相连，显示扫描译码芯片受控制芯片的显示控制信号控制，输出显示扫描信号，该扫描信号通过位选信号驱动芯片、显示扫描线和连接插头与16位LED显示器的位选信号线连接，控制芯片的显示器段选输出口通过段选码线连接到段选信号驱动芯片，再通过连接插头与16位LED显示器的段选信号线连接。由于采用通用芯片和传统的设计方法，所需芯片种类多、数量大、连线多，占有印刷线路板面积大，不能运用于智能化仪表的小键盘与LCD/LED显示器接口。

发明内容

本发明的目的是提供一种船舶嵌入式微控制器的非编码键盘与显示器接口，特别适用于船舶智能化仪表的小键盘与LCD/LED显示器接口，以克服现有的微控制器键盘接口所需芯片种类多、数量大，占有印刷线路板面积大，设计时几乎没有灵活性的缺陷。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种船舶嵌入式微控制器的非编码键盘与显示器接口，包括可编程逻辑器件构成的逻辑电路，其特征在于：所述逻辑电路的输入端和输出端分别与微控制器和显示器相连。

本发明中，所述的显示器包括LCD显示器和/或LED显示器，所述的逻辑电路包括键盘与LCD显示器连接的LCD显示器逻辑电路和键盘与LED显示器连接的LED显示器键盘逻辑电路，其中键盘与LCD显示器连接的逻辑电路采用独特的地址映射逻辑设计。

所述LCD显示器地址映射逻辑电路由门电路、地址锁存器、地址译码器和驱动输出电路构成，所述门电路输入端连接微控制器的读写脚，输出端连接LCD显示器的时钟脚，实现控制输入；微控制器的读写脚同时通过地址译码器与LCD显示器的读写脚相连，微控制器的输出端口与LCD显示器的数据口连接从而实现数据总线的构建，微控制器地址总线16位是经过可编程逻辑器件内的地址锁存器、地址译码器、驱动输出与LCD显示器实现连接。

LCD显示器地址映射逻辑电路可由功能块构成，每个功能块由18个独立的宏单元组成，每个宏单元可实现一个组合电路或寄存器的功能。在设计时可以旁路(即该寄存器被忽略)，从而使宏单元只作为组合逻辑使用，宏单元的寄存器可以配置成D触发器或T触发器，作为锁存器我们配置成D触发器，时钟作为控制输入。并把锁存器输出使能译码输入，这样在一个功能块FB内实现锁存器，译码器功能。

所述LED显示器键盘逻辑电路包括串入并出寄存器和三态缓冲器，串入并出寄存器与微控制器串行接口连接，两引脚一个为作数据引线，另一个用作时钟信号线，串入并出寄存器的输出脚连接LED显示器段码线；LED显示器的位码扫描线通过三态缓冲器连接微控制器的输出端口。

本发明提供了一种基于新的基于芯片设计方法，用复杂可编程逻辑器件设计成嵌入式微控制器的非编码键盘与LCD/LED显示器接口，这种接口特别适用于智能化仪表的小键盘与LCD/LED显示器。

与一般设计方法的电路相比较，仅用一片芯片提供一个基于单片机系统总线的键盘与LCD/LED显示器接口，该接口不但不占用单片机系统资源，还扩展系统外接能力。非编码键盘与LCD/LED显示器接口由复杂可编程逻辑器件CPLD XC9572XL编程实现，减少了芯片的种类、数量，又简化了电路板设计，使系统结构紧凑，系统的性能和可靠性提高。系统设计充分运用单片机与大规模复杂可编程逻辑器件极强的互补性，由此两类器件相结合的电路结构组成的高性能和高可靠性的嵌入式仪器仪表为仪器仪表系统特别是船用仪器仪表系统提供一个新的途径。

附图说明

图1为本发明LCD显示器/键盘接口原理图。

图2为本发明LCD显示器地址映射逻辑电路原理图。

图3为本发明HD44780写时序图。

图4为本发明HD44780读时序图。

图5为本发明LED显示器/键盘接口原理图。

图6为本发明LED显示器键盘逻辑电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例1

可编程逻辑器件PLD(Programmable Logic Device)是20世纪80年代后期发展起来的新一代ASIC(Application Specific Integrated Circuits)是专门为用户设计制造的。20世纪90年代后，复杂可编程逻辑器件CPLD(ComplexProgrammable LogicDevice)成为PLD产品主流，Xilinx XC9500系列器件可提供从最简单的PAL综合设计到最先进的实时硬件现场升级的全套解决方案，但它是一个半成品，需要技术人员开发成自己的产品。使用复杂可编程逻辑器件CPLD，实际上是对CPLD设计。

使用CPLD器件第一步是选择器件，XC9572XL器件的t_PD达3.5ns，宏单元数有72个，系统时钟可达到196MHz，本系统采用100 TQFP封装XC9572XL达到设计要求。值得注意的是：1)器件采用快闪存储技术(Fast FLASH)，提供在系统内编程，最小编程/擦除次数达10000次，与E²CMOS工艺相比，功耗明显降低。2)驱动负载能力强，每个输入/输出端口的负载电流可达24mA，可直接驱动LED显示，节省接口的驱动电路，缩小印刷线路板面积。

使用CPLD器件关键技术是芯片设计，传统设计方法一般使用逻辑代数化简，以所用门数较少且能达到设计要求为标准，而CPLD设计却以功能块FB(Function Block)为单元进行设计，以所用FB最少且能达到设计要求为标准。要合理使用XC9572XL，必须对XC9572XL CPLD器件非常熟悉，掌握它的核心技术，本发明即采用此器件。

XC9572XL由4个功能块FB(Function Block)和输入/输出块I0B组成，并由一个开关矩阵FastCONNECT完全互连的子系统。每个FB提供具有36个输入和18个输出的可编程逻辑；IOB则提供器件输入和输出的缓冲；FastCONNECT开关矩阵将所有输入信号及FB的输出连到FB的输入端。

参见图1、图2，为本发明与LCD显示器进行连接，LCD显示器接口要求设计的LCD显示器CPLD地址映射逻辑电路，地址映射逻辑电路设计在功能块FB4。

用CPLD设计的地址映射逻辑电路主要由门电路、地址锁存器、地址译码、驱动输出几个部分组成。门电路输入端连接微控制器的读写脚，输出端连接LCD显示器的时钟脚，实现控制输入；微控制器的读写脚通过地址译码器LCD显示器的读写脚相连，微控制器的P0口与LCD显示器的D0-D7连接从而实现数据总线的构建，微控制器地址总线16位是经过可编程逻辑器件内地址锁存器、地址译码、驱动输出与LCD显示器实现连接，输出引脚接XC9572XL器件驱动输出(器件本身具备，图略)。

每个功能块FB由18个独立的宏单元组成，每个宏单元可实现一个组合电路或寄存器的功能。在设计时可以旁路(即该寄存器被忽略)，从而使宏单元只作为组合逻辑使用，宏单元的寄存器可以配置成D触发器或T触发器，作为锁存器我们配置成D触发器，时钟作为控制输入。并把锁存器输出使能译码输入，这样在一个功能块FB内实现锁存器，译码器功能。

LCD显示器一般采用多位显示，由于中、小规模系列集成电路在驱动多位LCD显示器时电路比较繁琐，因此大规模集成电路多位LCD显示器模块应用比较广泛。本实施例选用具有代表性的北京精电蓬远显示技术有限公司的LCD模块，其系列产品有多种：按液晶类型分类有：TN，STN型；按驱动电压分类有：LV，HV；按背光选择分类有：LED EL。

MDLS字符型LCD显示器与单片机连接的接口如图1所示，微控制器采用应用最广的MCS51及兼容单片机，接口适用TN，STN类型MDLS系列各种产品。

MDLS系列模块的控制器多为HD44780及其兼容电路，显示模块与微控制器的连接实际上就是HD44780与微控制器的连接。对HD44780操作有：确定工作方式、了解工作状态和输出显示信息，所以HD44780操作有读、写操作，交换信息有命令字、数据字，HD44780经过的接口(CPLD地址映射逻辑电路)必须与微控制器系统总线连接。根据模块的引脚功能来连接，与微控制器系统总线连接除需考虑引脚功能外，还需考虑时序配合问题。

表1为MDLS系列液晶显示模块的引脚功能定义

表1引脚功能

  引脚号  符号  状态  功能  1  Vss  电源地  2  Vdd  5V逻辑  3  V0  电源液晶驱动电源  4  RS  输入  寄存器选择1：数据0：指令  5  R/W  输入  读写操作选择1：读0：写  6  E  输入  使能信号(MDLS40466 未用 符号NC)  7  DB0  三态  数据总线(LSB)  8  DB1  三态  数据总线  9  DB2  三态  数据总线  10  DB3  三态  数据总线  11  DB4  三态  数据总线  12  DB5  三态  数据总线  13  DB6  三态  数据总线  14  DB7  三态  数据总线(MSB)

表2为信号真值表

表2信号真值表

  RS  R/W  E  功能  0  0  下降沿  写指令代码  0  1  高电平  读忙标志和AC值  1  0  下降沿  写数据  1  1  高电平  读数据

HD44780的写时序图

表写操作周期

  项目符号  最小值  最大值  单位  使能周期TcycE  1000  ns  使能脉冲宽度Pweh  450  ns  使能升降时间Ter，Tef  25  ns  地址建立时间Tas  140  ns  地址保持时间Tah  10  ns  数据建立时间Tdsw  195  ns  数据保持时间Th  10  ns

HD44780的读时序图

表  读操作周期

  项目符号  最小值  最大值  单位  使能周期TcycE  1000  ns  使能脉冲宽度Pweh  450  ns  使能升降时间Ter，Tef  25  ns  地址建立时间Tas  140  ns  地址保持时间Tah  10  ns  数据延迟时间Tddr  320  ns  数据保持时间Tdhr  10  ns

参见图3、图4，HD44780的读、写操作是由R/W信号与使能信号E联合实现的。在写操作过程中，HD44780要求在E信号结束后，数据线上的数据要保持10ns以上的时间，而MCS51 P0口在/WR信号结束后将有58ns(以12MHz晶振计算)的数据保持时间，足以满足要求。在读操作情况下，MCS51读信号脉冲宽度达400ns，大于HD44780的最大数据延迟时间(Tddr)320ns，二者的时序配合是可行的。分析上述情况后，本专利不采用常规接口引脚信号一一对应连接方法，对命令和数据的读写操作都已简化为的相应映射地址的操作，使接口连接和编程得到简化。

接口图说明微控制器的P0口与D0-D7连接从而实现数据总线的构建，微控制器地址总线16位是经过CPLD地址映射逻辑电路与液晶模块连接实现地址总线的构建。

由接口图可知本实施例信号组合，电路组成的特色：对液晶模块的指令和数据的读写操作如读/写操作选择R/W；寄存器选择RS(DATA)都已简化为的相应映射地址的操作，使能信号E(CLK)，在读写时由CPLD逻辑电路产生。

对液晶模块操作的地址说明如表3所示

表3液晶模块操作地址

  操作地址  CS2  R/W  RS  功能  ***0H  0  0  0  写指令  ***1H  0  0  1  写数据  ***2H  0  1  0  读忙标志和AC值  ***3H  0  1  1  读数据

实施例2

LED(Light Emitting Diode)发光二极管显示器是一种当外加电压加在发光二极管上产生可见光的器件，具有体积小、重量轻、工作电压低、稳定、寿命长、响应时间短(一般不超过0.1μS)、发光均匀、清晰、亮度高等优点，与液晶显示器相比，更适于在光线暗的环境中使用。它的主要缺点是工作电流较大。一般芯片不能直接驱动，Xilinx XC9500驱动负载能力强，每个输入/输出端口的负载电流可达24mA，可直接驱动LED显示，常见LED显示器有：LED数码管和LED指示灯，在控制显示方面均有使用。

与LCD显示器不同，LED显示器的大小，位数有多种选择，电路相对LCD来说简单，一般不采用LED显示模块形式，这样，选择显示接口方案就有多种。显示器显示接口按驱动方式可分成静态显示和动态显示两种显示方式，按数码显示器接口是否带译码器可分成译码和非译码两种显示数据方式，微控制器向显示器接口传送数据的方式通常采用并行传送方式。

译码显示数据方式需译码/驱动芯片，且显示字符单调，优点软件简单，非译码显示数据方式需软件译码。显示器静态显示时，除变更显示数据期间外，各显示器均处于通电显示状态，每个显示器通电占空比约为100％。静态显示的优点是显示稳定，亮度高；缺点是占用硬件电路(如I/O口、驱动器等)多。动态显示的扫描可由单片机软件或专门的硬件完成；动态显示时，N个显示器共占用一个显示数据驱动器，每个显示器通电占空比时间最大为1/N。改变通电时间可改变显示亮度，动态显示的优点是节省硬件电路(如I/O口、驱动器等)；缺点是采用软件扫描时占用CPU时间多，如采用硬件扫描时将增加硬件成本。

现在流行的LED显示/键盘接口，采用通用可编程芯片设计LED显示器接口一般是动态显示、非译码和并行传送显示数据传送方式，接口还需驱动芯片

参见图5、图6，为本发明键盘与LED显示器进行连接，微控制器经过CPLD逻辑与LED显示器连接，采用动态显示、非译码和串行传送显示数据传送方式，可连接8个八段LED数码显示器或64个LED指示灯，图中只示意了4个八段共阳LED数码显示器和8个LED指示灯，可根据需要增减。采用串行接口方式，它仅仅占用系统2个I/O口，一个作数据引线DK DATA，另一个用作时钟信号线DK CLK，节省微控制器的I/O口。其中DK Q0～DK Q7为LED显示器数据线即段码线，BIT0～BIT3为LED显示器的位码扫描线，与微控制器P1口相连。由它们发送扫描信号，采取PCLD逻辑译码/驱动，节省微控制器的I/O口和驱动器。

串行方式LED动态显示的原理，首先以串行方式向LED显示器数据端口发送第1个8位数据，此时由于BIT0为高电平而其他口都为低电平，因此只有LED1数码管显示该数码。这样可以发送第2个数据，同样应使其对应的位码为高电平且保证其他位为低电平。依此类推，对各显示器进行扫描，显示器分时轮流工作。虽然每次只有一个显示器显示，但由于人的视觉暂留现象，仍会感觉所有的显示器都在同时显示。它的优点是：占用较少的I/O口。

在LED显示器接口中，串入并出数据DK Q0～DK Q7兼作为键盘扫描线，KEY0、KEY1为键盘数据回送线，增加KEY线即可增加键盘数。微控制器中使用的键盘一般是非编码键盘，因按键相对来说较少，所以又称小键盘，图2有16个按键，组成行列结构，键盘扫描时，先从DK Q0～DK Q7输出全低电平，检测KEY。如果KEY线为高电平则表示无键闭合；若KEY等于0，表示有键按下，然后从DK Q0～DK Q7依次输出低电平，检测KEY。如果KEY线为高电平则表示无键闭合；若KEY等于0，将DK Q0～DK Q7上的数据经简单处理就得到各键对应的键值。

由接口图可知本专利信号组合，电路组成的特色：采用串行接口方式，它仅仅占用系统2个I/O口，节省微控制器的I/O口。串并转换输出DK Q0～DK Q7为LED作为显示器数据线即段码线，PCLD译码输出BIT0～BIT3作为LED显示器的位码扫描线，串入并出数据DK Q0～DK Q7兼作为键盘扫描线，减少引线。PCLD输入/输出块IOB驱动连接，节省驱动器芯片。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。