基于ＤＳＰ的人機接口控制電路設計

摘要：隨著數字化產品的普及，人機接口電路的地位越來越重要。本文介紹了基于TI公司的定點DSP芯片TMS320VC5402的最小系統及其相關電源、時鐘電路和復位電路的設計，數據存儲器與程序存儲器的擴展， 以及DSP與RS232C的電路連接方式。重點研究了DSP直接和3×5矩陣式鍵盤以及TCM-A0902型液晶顯示器的人機接口技術，并給出了相應模塊的匯編程序，實現了DSP處理系統的人機接口電路設計，可以直接擴展成DSP的各種應用系統。

關鍵詞：DSP；鍵盤電路；顯示電路；RS232C

隨著信息技術的發展和數字化產品的普及，DSP(數字信號處理器)作為數字信號處理領域的嵌入式處理器得到了廣泛應用，采用DSP器件來實現數字信號處理系統已成為當前的發展趨勢。大多數數字信號處理系統離不開人機交互，系統在運行時需要操作者的干預(對系統進行輸入)以及系統對干預作出響應(系統輸出)。

在DSP的應用中，有一些場合是將DSP處理系統用到工業計算機或個人機中的。有一些場合，DSP系統則需要單獨工作，DSP即使是與工業計算機或個人機發生通信也是通過串行口進行的，DSP系統并不嵌入計算機，它們有自己的鍵盤，顯示，時鐘等。本文主要討論DSP的人機接口電路，它不需要其它的MCU來實現。

1 方案的選擇與論證

目前，實現人機控制系統的方案主要有以下三種： 方案一：DSP+單片機通過雙口RAM 進行通信擴展[1]。DSP+單片機通過雙口RAM進行通信擴展，這種結構在設計上比較復雜、成本也較高。目前使用最多的雙口RAM是IDT公司生產的 IDT7133和 IDT7143。這種結構用的很少。方案二：通過8279集成芯片擴展。Intel 8279芯片是一種通用的可編程序的鍵盤、顯示接口器件，8279包括鍵盤輸入和顯示輸出兩個部分， 由于用8279芯片做液晶顯示接口不能滿足要求，故舍棄8279鍵盤接口芯片。方案三：通過DSP外擴一個并行可編程芯片[2]。通過DSP外擴并行可編程芯片8255可以很好的實現人機接口中的鍵盤和顯示。通過查閱大量的DSP資料，發現基本上采用第三種方案比較合理。如果DSP要不停地采集數據并且人機交互又要經常發生，采用 DSP+單片機模式是必要的，如果不是這樣的話，就沒有必要采用這個模式。DSP+單片機的模式有以下缺點：(1)設計復雜，(2)成本增加。經過系統分析和論證，如果只是把DSP用在一般的通信和控制領域，只需把DSP和人機接口直接相連，這樣可以有效的減少系統的成本和開發時間。因此本論文中選擇方案三。

2 系統設計

本系統由TMS320VC5402芯片，鍵盤，液晶顯示，RS232，FLASH存儲器和RAM存儲器組成，系統框圖見圖1。TMS320VC5402作為整個系統的核心，完成整個人機接口電路的所有功能。

2.1 DSP與液晶顯示器的接口電路[5]

液晶顯示模塊選用EPSON的TCM-A0902，它是單色、320×200的顯示器。它的引腳功能見表1。

TCM-A0902作為擴展的I/O設備，與TMS320VC5402的連接電路圖見圖2。液晶顯示模塊A0為數據、命令寄存器的選擇引腳與DSP的A13地址線的連接，占用兩個I/O口地址，分別為數據端口地址EFFFH和命令端口地址CFFFH。

2.2 DSP與鍵盤的接口電路[7]

鍵盤作為常用的輸入設備應用十分廣泛，它是人機接口電路不可缺少的部分，基本上都是由若干個按鍵所組成的開關陣列，分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。非編碼鍵盤是由一些按鍵排列成的行列式開關矩陣，按鍵的作用只是簡單地實現開關的接通和斷開，必須在相應的程序配合下才能產生按鍵的鍵碼。編碼鍵盤除了設有按鍵外，還包括識別按鍵閉合產生的鍵碼硬件電路，只要有按鍵閉合，硬件電路就能產生這個按鍵的鍵碼，并產生一個脈沖信號，以通知MCU接收鍵碼。本文選用的是非編碼3×5矩陣式鍵盤，由于TMS320VC5402芯片的I/O資源有限，常用鎖存器擴展成I/O口來組成非編碼鍵盤，常用的鎖存器是74HC573。

通過74HC573鎖存器，對TMS320VC5402芯片進行擴展的3×5的矩陣式鍵盤電路圖見圖3，并由行鎖存器，列鎖存器和3×5矩陣式鍵盤組成。由圖可以看出，該鍵盤占用兩個I/O端口，行鎖存器為輸出口，并作為寫鍵盤端口，列鎖存器為輸入口，并作為讀鍵盤端口。讀鍵盤端口地址RKEYP=7FFFH；寫鍵盤端口地址WKEYP=BFFFH。

其工作原理如下：

使用非編碼鍵盤需要用相應軟件來解決按鍵的識別，防止抖動以及產生鍵碼等工作。按鍵的識別，即確定是否有按鍵按下。首先DSP通過寫鍵盤端口輸出00000到鍵盤的行線，然后通過讀鍵盤端口輸入，檢測鍵盤的列線信號。若沒有按鍵按下，則輸入的列線信號為111。若有按鍵按下，則輸入的信號不為111。

行掃描確定按鍵的位置，行掃描是指依次給每條行線輸出0信號，而其余行線輸出1信號，并檢測每次掃描所對應的列線信號。每次給行線輸出的信號稱為行代碼Xi，而檢測到的列線信號稱為列代碼Yi。若某行有按鍵按下，并掃描到該行時，則從讀鍵盤端口檢測到的列線信號為0，否則為1。在掃描的過程中，只要記下列信號不為全1時的行代碼和列代碼，就能確定按鍵的位置。

從寫鍵盤端口依次輸出的行代碼為：

11110---X011101---X111011---X2

10111---X301111---X4

由讀鍵盤端口讀入的列代碼為：

110---Y0 101---Y1 011---Y2

按鍵防抖，檢測到有按鍵按下后，延遲到10～20ms，然后再進行行掃描。鍵碼產生，經過行掃描后，就能確定按鍵的鍵碼。鍵碼是由行代碼和列代碼組合而成，

即鍵碼=[行代碼][列代碼]

例如：圖中的X鍵，對應的行代碼為X2=11011，列代碼為Y1=101，所形成的鍵碼為[行代碼][列代碼]，即X鍵碼=X2Y1=11011101=DDH。

2.3軟件設計

系統的軟件流程圖和液晶顯示驅動流程圖以及鍵盤掃描流程圖見圖4，5，6。

源程序略：

2.4系統調試[9]

整個系統的調試包括硬件調試，軟件調試和總體調試三個部分，這三部分調試都可以借助TMS320VC5402的仿真器完成。

㈠硬件調試：

①測試電源電壓是否正常。

②測試DSP芯片的輸出頻率是否正確。

③對硬件系統進行系統仿真。

④測試鍵盤電路是否達到預設目的。

⑤液晶顯示器是否開始工作。

㈡軟件調試

DSP系統的軟件調試主要是在仿真器上進行的，把部分程序調入CCS平臺調試。

㈢總體調試

系統的軟硬件調試成功后，可以通過仿真器將用戶Boot程序和整個系統程序寫入FLASH。

3 結束

本文分析了基于DSP系統的人機接口電路的設計和DSP的最小系統，介紹了擴展DSP系統外圍電路的設計方法，并給出了系統的硬件結構框圖和軟件流程圖。盡管一般高端應用的人機接口都采用觸摸屏，但價格偏高，應用難以接受。本文介紹的人機接口電路它可以很方便的應用到指紋門禁系統、POS系統(電子收款系統)、ATM(自動取款機)等嵌入式處理系統中。

參考文獻

[1] 肖宛昂，方治. DSP嵌入式系統中人機接口電路的分析與設計.電子工業專用設備，2005年6月

[2] 何泳，馬孝江，王永剛.基于DSP的人機接口技術.機床與液壓，2004年月1月

[3] Andrew Bateman， Iain Paterson-Stephen.The DSP Handbook Algorithms，Applications and Design Techniquess， China Machine Press， 2003.3

[4] 李哲英，駱麗，劉元盛. DSP基礎理論與應用技術.北京航空航天大學出版社，2001年8月

[5] 鄒彥，唐冬，寧志剛. DSP原理及應用.電子工業出版社，2006年5月

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[7] 張雄偉，陳亮，徐光輝. DSP芯片的原理與開發應用（第三版）.電子工業出版社，2003年2月

[8] 趙紅怡. DSP技術與應用實例.電子工業出版社，2004年6月

[9] 彭啟琮.DSP技術的發展與應用.高等教育出版社，2004年9月

作者簡介:肖峰（1978-），男，湖南常德人，電氣工程師