專利名稱：：船舶嵌入式微控制器的非編碼鍵盤與顯示器接口的制作方法
技術領域：
：本發明涉及微控制器與鍵盤、顯示器接口
技術領域：
，具體地說，涉及船舶嵌入式微控制器的非編碼鍵盤與顯示器接口，特別適用于船舶智能化儀表的小鍵盤與LCD/LED顯示器接口。
背景技術：
：鍵盤與LCD/LED顯示器是單片微型計算機控制系統常用的人-機界面，如一些教學與科研設備和船舶系統的控制與顯示儀表，使用者借助面板上的鍵盤和顯示屏，可用對話方式選擇測量功能，設置參數。智能化儀器儀表核心是單片機，由于單片機主要應用于控制領域，習慣把單片機稱為微控制器MCU(MicrControlerUnit)，微控制器用以實現各種測量和控制功能，單片機功能強、體積小，在應用時通常是處于控制系統的核心地位并融入其中，所以又稱嵌入式微控制器。從結構上看單片機把微型計算機主要部件，集成在一塊芯片上。但組成微型計算機測量和控制系統還必須包括外圍設備和通信設備，如鍵盤與顯示器。這些實際系統往往希望器件的結構緊湊，要求占用較少的MCUI/O口資源，對于鍵盤與LED顯示器要求通過一個接口進行連接；同時要求鍵盤/顯示器與接口的連接線要少；要求接口有良好的通用性。因此，研制單片機系統的鍵盤和LCD/LED顯示器的高性能接口有實際的應用意義。單片機系統外圍電路設計一般的方法是用通用可編程接口(如8255)和標準集成芯片進行擴展，通過印刷電路板連接，搭建系統。這種設計方法，所需芯片種類多、數量大，占有印刷線路板面積大，設計時幾乎沒有靈活性可言，大大制約接口技術的發展。中國專利ZL200520046271.7提供了一種基于基本總線的鍵盤與LED顯示器接口模塊，包含基本總線、鍵盤、顯示器接口芯片8279，連接插頭，其特征在于a.基本總線的控制信號通過雙向控制線及驅動芯片與控制芯片的控制線口連接，該雙向控制線還與驅動芯片，動態芯片相連接；基本總線的數據信號通過雙向數據線及驅動芯片與控制芯片的雙向數據線口連接；基本總線的地址信號通過單向地址線與驅動芯片連接，然后地址中的高位通過片選譯碼芯片產生片選信號與控制芯片的控制線口的片選信號線連接，地址中的低位信號直接連接到控制芯片的地址線口；b.控制芯片的鍵盤狀態端通過連接插頭與兩個狀態鍵相連，控制芯片的掃描輸出口通過動態掃描線與顯示掃描譯碼芯片和鍵盤掃描譯碼芯片連接，鍵盤掃描譯碼芯片輸出鍵盤掃描信號，通過連接插頭輸出到鍵盤列陣，控制芯片的鍵盤掃描回歸口通過連接插頭與鍵盤列陣相連，顯示掃描譯碼芯片受控制芯片的顯示控制信號控制，輸出顯示掃描信號，該掃描信號通過位選信號驅動芯片、顯示掃描線和連接插頭與16位LED顯示器的位選信號線連接，控制芯片的顯示器段選輸出口通過段選碼線連接到段選信號驅動芯片，再通過連接插頭與16位LED顯示器的段選信號線連接。由于采用通用芯片和傳統的設計方法，所需芯片種類多、數量大、連線多，占有印刷線路板面積大，不能運用于智能化儀表的小鍵盤與LCD/LED顯示器接口。
發明內容本發明的目的是提供一種船舶嵌入式微控制器的非編碼鍵盤與顯示器接口，特別適用于船舶智能化儀表的小鍵盤與LCD/LED顯示器接口，以克服現有的微控制器鍵盤接口所需芯片種類多、數量大，占有印刷線路板面積大，設計時幾乎沒有靈活性的缺陷。本發明所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現一種船舶嵌入式微控制器的非編碼鍵盤與顯示器接口，包括可編程邏輯器件構成的邏輯電路，其特征在于所述邏輯電路的輸入端和輸出端分別與微控制器和顯示器相連。本發明中，所述的顯示器包括LCD顯示器和/或LED顯示器，所述的邏輯電路包括鍵盤與LCD顯示器連接的LCD顯示器邏輯電路和鍵盤與LED顯示器連接的LED顯示器鍵盤邏輯電路，其中鍵盤與LCD顯示器連接的邏輯電路采用獨特的地址映射邏輯設計。所述LCD顯示器地址映射邏輯電路由門電路、地址鎖存器、地址譯碼器和驅動輸出電路構成，所述門電路輸入端連接微控制器的讀寫腳，輸出端連接LCD顯示器的時鐘腳，實現控制輸入；微控制器的讀寫腳同時通過地址譯碼器與LCD顯示器的讀寫腳相連，微控制器的輸出端口與LCD顯示器的數據口連接從而實現數據總線的構建，微控制器地址總線16位是經過可編程邏輯器件內的地址鎖存器、地址譯碼器、驅動輸出與LCD顯示器實現連接。LCD顯示器地址映射邏輯電路可由功能塊構成，每個功能塊由18個獨立的宏單元組成，每個宏單元可實現一個組合電路或寄存器的功能。在設計時可以旁路(即該寄存器被忽略)，從而使宏單元只作為組合邏輯使用，宏單元的寄存器可以配置成D觸發器或T觸發器，作為鎖存器我們配置成D觸發器，時鐘作為控制輸入。并把鎖存器輸出使能譯碼輸入，這樣在一個功能塊FB內實現鎖存器，譯碼器功能。所述LED顯示器鍵盤邏輯電路包括串入并出寄存器和三態緩沖器，串入并出寄存器與微控制器串行接口連接，兩引腳一個為作數據引線，另一個用作時鐘信號線，串入并出寄存器的輸出腳連接LED顯示器段碼線；LED顯示器的位碼掃描線通過三態緩沖器連接微控制器的輸出端口。本發明提供了一種基于新的基于芯片設計方法，用復雜可編程邏輯器件設計成嵌入式微控制器的非編碼鍵盤與LCD/LED顯示器接口，這種接口特別適用于智能化儀表的小鍵盤與LCD/LED顯示器。與一般設計方法的電路相比較，僅用一片芯片提供一個基于單片機系統總線的鍵盤與LCD/LED顯示器接口，該接口不但不占用單片機系統資源，還擴展系統外接能力。非編碼鍵盤與LCD/LED顯示器接口由復雜可編程邏輯器件CPLDXC9572XL編程實現，減少了芯片的種類、數量，又簡化了電路板設計，使系統結構緊湊，系統的性能和可靠性提高。系統設計充分運用單片機與大規模復雜可編程邏輯器件極強的互補性，由此兩類器件相結合的電路結構組成的高性能和高可靠性的嵌入式儀器儀表為儀器儀表系統特別是船用儀器儀表系統提供一個新的途徑。圖1為本發明LCD顯示器/鍵盤接口原理圖。圖2為本發明LCD顯示器地址映射邏輯電路原理圖。圖3為本發明HD44780寫時序圖。圖4為本發明HD44780讀時序圖。圖5為本發明LED顯示器/鍵盤接口原理圖。圖6為本發明LED顯示器鍵盤邏輯電路原理圖。具體實施例方式為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。實施例1可編程邏輯器件PLD(ProgrammableLogicDevice)是20世紀80年代后期發展起來的新一代ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits)是專門為用戶設計制造的。20世紀卯年代后，復雜可編程邏輯器件CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)成為PLD產品主流，XilinxXC9500系列器件可提供從最簡單的PAL綜合設計到最先進的實時硬件現場升級的全套解決方案，但它是一個半成品，需要技術人員開發成自己的產品。使用復雜可編程邏輯器件CPLD，實際上是對CPLD設計。使用CPLD器件第一步是選擇器件，XC9572XL器件的tpD達3.5ns，宏單元數有72個，系統時鐘可達到196MHz，本系統采用100TQFP封裝XC9572XL達到設計要求。值得注意的是1)器件采用快閃存儲技術(FastFLASH),提供在系統內編程，最小編程/擦除次數達10000次，與E^MOS工藝相比，功耗明顯降低。2)驅動負載能力強，每個輸入/輸出端口的負載電流可達24mA，可直接驅動LED顯示，節省接口的驅動電路，縮小印刷線路板面積。使用CPLD器件關鍵技術是芯片設計，傳統設計方法一般使用邏輯代數化簡，以所用門數較少且能達到設計要求為標準，而CPLD設計卻以功能塊FB(FunctionBlock)為單元進行設計，以所用FB最少且能達到設計要求為標準。要合理使用XC9572XL，必須對XC9572XLCPLD器件非常熟悉，掌握它的核心技術，本發明即采用此器件。XC9572XL由4個功能塊FB(FunctionBlock)和輸入/輸出塊I0B組成，并由一個開關矩陣FastCONNECT完全互連的子系統。每個FB提供具有36個輸入和18個輸出的可編程邏輯；IOB則提供器件輸入和輸出的緩沖；FastCONNECT開關矩陣將所有輸入信號及FB的輸出連到FB的輸入端。參見圖1、圖2，為本發明與LCD顯示器進行連接，LCD顯示器接口要求設計的LCD顯示器CPLD地址映射邏輯電路，地址映射邏輯電路設計在功能塊FB4。用CPLD設計的地址映射邏輯電路主要由門電路、地址鎖存器、地址譯碼、驅動輸出幾個部分組成。門電路輸入端連接微控制器的讀寫腳，輸出端連接LCD顯示器的時鐘腳，實現控制輸入；微控制器的讀寫腳通過地址譯碼器LCD顯示器的讀寫腳相連，微控制器的P0口與LCD顯示器的D0-D7連接從而實現數據總線的構建，微控制器地址總線16位是經過可編程邏輯器件內地址鎖存器、地址譯碼、驅動輸出與LCD顯示器實現連接，輸出引腳接XC9572XL器件驅動輸出(器件本身具備，圖略)。每個功能塊FB由18個獨立的宏單元組成，每個宏單元可實現一個組合電路或寄存器的功能。在設計時可以旁路(即該寄存器被忽略)，從而使宏單元只作為組合邏輯使用，宏單元的寄存器可以配置成D觸發器或T觸發器，作為鎖存器我們配置成D觸發器，時鐘作為控制輸入。并把鎖存器輸出使能譯碼輸入，這樣在一個功能塊FB內實現鎖存器，譯碼器功能。LCD顯示器一般采用多位顯示，由于中、小規模系列集成電路在驅動多位LCD顯示器時電路比較繁瑣，因此大規模集成電路多位LCD顯示器模塊應用比較廣泛。本實施例選用具有代表性的北京精電蓬遠顯示技術有限公司的LCD模塊，其系列產品有多種按液晶類型分類有TN，STN型；按驅動電壓分類有LV，HV;按背光選擇分類有LEDEL。MDLS字符型LCD顯示器與單片機連接的接口如圖1所示，微控制器采用應用最廣的MCS51及兼容單片機，接口適用TN，STN類型MDLS系列各種產品。MDLS系列模塊的控制器多為HD44780及其兼容電路，顯示模塊與微控制器的連接實際上就是HD44780與微控制器的連接。對HD44780操作有確定工作方式、了解工作狀態和輸出顯示信息，所以HD44780操作有讀、寫操作，交換信息有命令字、數據字，HD44780經過的接口(CPLD地址映射邏輯電路)必須與微控制器系統總線連接。根據模塊的引腳功能來連接，與微控制器系統總線連接除需考慮引腳功能外，還需考慮時序配合問題。表1為MDLS系列液晶顯示模塊的引腳功能定義表l引腳功能<table>complextableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2為信號真值表表2信號真值表<table>complextableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>HD44780的寫時序圖表寫操作周期<table>complextableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>HD44780的讀時序圖表讀操作周期<table>complextableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>參見圖3、圖4，HD44780的讀、寫操作是由R/W信號與使能信號E聯合實現的。在寫操作過程中，HD44780要求在E信號結束后，數據線上的數據要保持10ns以上的時間，而MCS51PO口在/WR信號結束后將有58ns(以12MHz晶振計算)的數據保持時間，足以滿足要求。在讀操作情況下，MCS51讀信號脈沖寬度達400ns，大于HD44780的最大數據延遲時間(Tddr)320ns，二者的時序配合是可行的。分析上述情況后，本專利不采用常規接口引腳信號一一對應連接方法，對命令和數據的讀寫操作都已簡化為的相應映射地址的操作，使接口連接和編程得到簡化。接口圖說明微控制器的PO口與D0-D7連接從而實現數據總線的構建，微控制器地址總線16位是經過CPLD地址映射邏輯電路與液晶模塊連接實現地址總線的構建。由接口圖可知本實施例信號組合，電路組成的特色對液晶模塊的指令和數據的讀寫操作如讀/寫操作選擇R/W;寄存器選擇RS(DATA)都已簡化為的相應映射地址的操作，使能信號E(CLK)，在讀寫時由CPLD邏輯電路產生。對液晶模塊操作的地址說明如表3所示表3液晶模塊操作地址<table>complextableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>實施例2LED(LightEmittingDiode)發光二極管顯示器是一種當外加電壓加在發光二極管上產生可見光的器件，具有體積小、重量輕、工作電壓低、穩定、壽命長、響應時間短(一般不超過0.1pS)、發光均勻、清晰、亮度高等優點，與液晶顯示器相比，更適于在光線暗的環境中使用。它的主要缺點是工作電流較大。一般芯片不能直接驅動，XilinxXC9500驅動負載能力強，每個輸入/輸出端口的負載電流可達24mA，可直接驅動LED顯示，常見LED顯示器有LED數碼管和LED指示燈，在控制顯示方面均有使用。與LCD顯示器不同，LED顯示器的大小，位數有多種選擇，電路相對LCD來說簡單，一般不采用LED顯示模塊形式，這樣，選擇顯示接口方案就有多種。顯示器顯示接口按驅動方式可分成靜態顯示和動態顯示兩種顯示方式，按數碼顯示器接口是否帶譯碼器可分成譯碼和非譯碼兩種顯示數據方式，微控制器向顯示器接口傳送數據的方式通常采用并行傳送方式。譯碼顯示數據方式需譯碼/驅動芯片，且顯示字符單調，優點軟件簡單，非譯碼顯示數據方式需軟件譯碼。顯示器靜態顯示時，除變更顯示數據期間外，各顯示器均處于通電顯示狀態，每個顯示器通電占空比約為100%。靜態顯示的優點是顯示穩定，亮度高；缺點是占用硬件電路(如I/O口、驅動器等)多。動態顯示的掃描可由單片機軟件或專門的硬件完成；動態顯示時，N個顯示器共占用一個顯示數據驅動器，每個顯示器通電占空比時間最大為1/N。改變通電時間可改變顯示亮度，動態顯示的優點是節省硬件電路(如I/0口、駆動器等)；缺點是采用軟件掃描時占用CPU時間多，如采用硬件掃描時將增加硬件成本。現在流行的LED顯示/鍵盤接口，采用通用可編程芯片設計LED顯示器接口一般是動態顯示、非譯碼和并行傳送顯示數據傳送方式，接口還需驅動芯片參見圖5、圖6，為本發明鍵盤與LED顯示器進行連接，微控制器經過CPLD邏輯與LED顯示器連接，采用動態顯示、非譯碼和串行傳送顯示數據傳送方式，可連接8個八段LED數碼顯示器或64個LED指示燈，圖中只示意了4個八段共陽LED數碼顯示器和8個LED指示燈，可根據需要增減。采用串行接口方式，它僅僅占用系統2個I/0口，一個作數據引線DKDATA，另一個用作時鐘信號線DKCLK，節省微控制器的I/O口。其中DKQ0DKQ7為LED顯示器數據線即段碼線，BIT0BIT3為LED顯示器的位碼掃描線，與微控制器Pl口相連。由它們發送掃描信號，采取PCLD邏輯譯碼/驅動，節省微控制器的I/O口和驅動器。串行方式LED動態顯示的原理，首先以串行方式向LED顯示器數據端口發送第1個8位數據，此時由于BITO為高電平而其他口都為低電平，因此只有LED1數碼管顯示該數碼。這樣可以發送第2個數據，同樣應使其對應的位碼為高電平且保證其他位為低電平。依此類推，對各顯示器進行掃描，顯示器分時輪流工作。雖然每次只有一個顯示器顯示，但由于人的視覺暫留現象，仍會感覺所有的顯示器都在同時顯示。它的優點是占用較少的I/0口。在LED顯示器接口中，串入并出數據DKQ0DKQ7兼作為鍵盤掃描線，KEY0、KEY1為鍵盤數據回送線，增加KEY線即可增加鍵盤數。微控制器中使用的鍵盤一般是非編碼鍵盤，因按鍵相對來說較少，所以又稱小鍵盤，圖2有16個按鍵，組成行列結構，鍵盤掃描時，先從DKQ0DKQ7輸出全低電平，檢測KEY。如果KEY線為高電平則表示無鍵閉合；若KEY等于O，表示有鍵按下，然后從DKQ0DKQ7依次輸出低電平，檢測KEY。如果KEY線為高電平則表示無鍵閉合；若KEY等于O，將DKQ0DKQ7上的數據經簡單處理就得到各鍵對應的鍵值。由接口圖可知本專利信號組合，電路組成的特色采用串行接口方式，它僅僅占用系統2個I/O口，節省微控制器的I/O口。串并轉換輸出DKQ0DKQ7為LED作為顯示器數據線即段碼線，PCLD#譯碼輸出BIT0BIT3作為LED顯示器的位碼掃描線，串入并出數據DKQODKQ7兼作為鍵盤掃描線，減少引線。PCLD輸入/輸出塊IOB驅動連接，節省驅動器芯片。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。權利要求1.一種船舶嵌入式微控制器的非編碼鍵盤與顯示器接口，包括可編程邏輯器件構成的邏輯電路，其特征在于所述邏輯電路的輸入端與輸出端分別與微控制器與顯示器相連。2.如權利要求1所述的船舶嵌入式微控制器的非竭碼鍵盤與顯示器接口，其特征在于所述可編程邏輯器件通過編程設計構成適合船舶嵌入式微控制器的非編碼鍵盤與顯示器接口。3.如權利要求1所述的船舶嵌入式微控制器的非編碼鍵盤與顯示器接口，其特征在于所述的顯示器包括LCD顯示器和/或LED顯示器，所述邏輯電路包括鍵盤與LCD顯示器連接的LCD顯示器地址映射邏輯電路和鍵盤與LED顯示器連接的LED顯示器鍵盤邏輯電路。4.如權利要求3所述的船舶嵌入式微控制器的非編碼鍵盤與顯示器接口，其特征在于所述LCD顯示器地址映射邏輯電路由門電路、地址鎖存器、地址譯碼器和驅動輸出電路構成，所述門電路輸入端連接微控制器的讀寫腳，輸出端連接LCD顯示器的時鐘腳，實現控制輸入；微控制器的讀寫腳通過地址譯碼器與LCD顯示器的讀寫腳相連，微控制器的P0口與LCD顯示器的D0-D7連接從而實現數據總線的構建，微控制器地址總線16位是經過可編程邏輯器件內地址鎖存器、地址譯碼器、驅動輸出電路與LCD顯示器實現連接。5.如權利要求3所述的船舶嵌入式微控制器的非編碼鍵盤與顯示器接口，其特征在于所述LCD顯示器地址映射邏輯電路可由CPLD功能塊構成，每個功能塊由18個獨立的宏單元組成，每個宏單元可實現一個組合電路或寄存器的功能。6.如權利要求4所述的船舶嵌入式微控制器的非編碼鍵盤與顯示器接口，其特征在于所述地址鎖存器為D觸發器。7.如權利要求3所述的船舶嵌入式微控制器的非編碼鍵盤與顯示器接口，其特征在于所述LED顯示器鍵盤邏輯電路包括串入并出寄存器、譯碼器和三態緩沖器，譯碼器與微控制器串行接口連接，兩引腳一個作為數據引線，另一個用作時鐘信號線，譯碼器的輸出腳連接LED顯示器段碼線；LED顯示器的位碼掃描線通過三態緩沖器連接微控制器的輸出端口。全文摘要本發明提供一種船舶嵌入式微控制器的非編碼鍵盤與顯示器接口，特別適用于智能化儀表的小鍵盤與LCD/LED顯示器接口，以克服現有的微控制器鍵盤所需芯片種類多、數量大，占有印刷線路板面積大，設計時幾乎沒有靈活性的缺陷。該接口，包括可編程邏輯器件構成的邏輯電路，所述邏輯電路的輸入端與輸出端分別與微控制器與顯示器相連。本發明提供了一種新的基于芯片設計方法，用復雜可編程邏輯器件設計成嵌入式微控制器的非編碼鍵盤與LCD/LED顯示器接口，僅用一片芯片提供一個基于單片機系統總線的鍵盤與LCD/LED顯示器接口，該接口不但不占用單片機系統資源，還擴展系統外接能力。文檔編號B63H21/22GK101344767SQ20081003623公開日2009年1月14日申請日期2008年4月18日優先權日2008年4月18日發明者夏永明申請人:上海海事大學