基于FPGA的簡易計算器的設(shè)計

曾小寶張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院

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基于FPGA的簡易計算器的設(shè)計

曾小寶
張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院

本文介紹了一款基于FPGA的8051單片機IP核的簡易計算器的設(shè)計。系統(tǒng)硬件采用EP3C5E144芯片設(shè)計開發(fā)，軟件采用康芯公司提供的8051單片機IP核設(shè)計開發(fā)，該設(shè)計使用Quartus9.0開發(fā)環(huán)境來設(shè)計FPGA片上系統(tǒng)，采用C語言設(shè)計8051單片機程序，并使用Keil開發(fā)環(huán)境來編程開發(fā)。系統(tǒng)外圍硬件設(shè)備主要包括液晶顯示模塊，鍵盤輸入模塊，蜂鳴器模塊，LED燈模塊；其中信息顯示使用LCD1602液晶顯示模塊，信息輸入使用矩陣鍵盤模塊，LED燈用于監(jiān)視程序運行狀態(tài)，蜂鳴器設(shè)計用于產(chǎn)生按鍵輔助提示音。本文設(shè)計的簡易計算器實現(xiàn)了有符號整數(shù)的加、減、乘、除表達式運算顯示功能和日歷時間顯示功能，實驗測試表明，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地運行。

FPGA 8051單片機 IP核 計算器

1　引言

隨著現(xiàn)代EDA（Electronic Designed Automation）技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模FPGA（Field－Programmable Gate Ar ray）器件的出現(xiàn)，嵌入式軟核處理器在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)中的應用越來越廣泛，與傳統(tǒng)的基于微控制器芯片的開發(fā)方式相比，IP核（Intel lectual Property Core）受硬件條件限制小，具有更大的靈活性，可縮短系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)時間。采用FPGA與IP核相結(jié)合進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，為設(shè)計人員提供了一種新的快捷高效的設(shè)計方法。

本文設(shè)計的簡易計算器是在FPGA芯片內(nèi)嵌入8051單片機IP核作為主控制器，并利用FPGA的內(nèi)部資源來構(gòu)造出單片機系統(tǒng)必需的PLL模塊、RAM模塊和ROM模塊，另外，因為4X4矩陣按鍵掃描和LCD1602讀忙操作都需要具有輸入輸出雙向功能的I/O口，因此系統(tǒng)設(shè)計了相應的雙向I/O口電路，此外，為了實現(xiàn)4X4矩陣按鍵的中斷掃描工作方式，還專門設(shè)計了按鍵中斷信號產(chǎn)生電路。

2　系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

本文設(shè)計的簡易計算器系統(tǒng)硬件主要由電源模塊、EEPROM模塊、4X4矩陣鍵盤模塊、LCD1602液晶顯示模塊、蜂鳴器和LED監(jiān)視燈等構(gòu)成，如下圖1所示為簡易計算器系統(tǒng)的硬件框圖。其中，EEPROM是采用EPCS4芯片設(shè)計，該芯片具有512KB的存儲容量，可用于存儲FPGA的程序代碼，系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA可從EEPROM中讀取程序代碼運行。設(shè)計考慮到計算器需要較多輸入按鍵，系統(tǒng)采用4X4的矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備，該設(shè)計只需要8位數(shù)據(jù)線就可提供16個有效按鍵，具有占用資源少、使用高效、設(shè)計緊湊等優(yōu)點。

3　矩陣鍵盤

在采用輪詢掃描工作方式情況下，無法確保按鍵的可靠響應，同時周期性地掃描操作極大地占用了CPU的資源，甚至影響其他程序的正常運行，因此，本文采用中斷掃描方式設(shè)計矩陣按鍵的程序，由此需要利用矩陣鍵盤的8位數(shù)據(jù)線來生成中斷信號，根據(jù)矩陣鍵盤掃描工作方式的原理，利用矩陣鍵盤的4位輸入線（P0口高四位為鍵盤的行數(shù)據(jù)線）通過一個四輸入與門可生成需要的按鍵中斷信號，當某個按鍵按下時，P0［4］到P0［7］四個輸入線電平之一變?yōu)?，則按鍵中斷信號P3I［2］也變?yōu)?，信號P3I［2］與8051單片機的外部中斷0管腳連接。在單片機初始化程序中，設(shè)置外部中斷0為低電平觸發(fā)方式，并啟動外部中斷0 ，當外部按鍵按下時，按鍵中斷信號就會變?yōu)榈碗娖蕉|發(fā)按鍵中服務程序，在按鍵中斷服務程序中，逐列送出掃描電平，并判斷按鍵行號，然后根據(jù)行列值計算按鍵編碼，由此，實現(xiàn)按鍵動作的識別和編碼。

4　調(diào)試與分析

系統(tǒng)的實驗測試使用了康芯公司設(shè)計的EP3C5E144開發(fā)板硬件平臺，F(xiàn)PGA開發(fā)設(shè)計軟件采用Quartus9.0版本，單片機C程序開發(fā)采用Kei l uVision4。在開發(fā)調(diào)試過程中，我們遇到了很多問題，比如，在LCD1602液晶顯示設(shè)計中，由于沒有對液晶進行讀忙操作，使得液晶初始化操作異常，導致液晶顯示異常的問題，通過加入讀忙操作，可確保液晶可靠初始化，從而解決液晶顯示異常問題。讀忙的操作要求單片機的I/O具備雙向功能，為此，系統(tǒng)需要給8051單片機IP核設(shè)計雙向I/O的接口電路.

5　結(jié)論

本文利用8051單片機IP核設(shè)計的簡易計算器能夠進行加、減、乘、除表達式運算，輸入設(shè)備采用使用普遍、占用資源少的4X4矩陣鍵盤，輸出設(shè)備采用價格低廉、性能穩(wěn)定可靠的LCD1602液晶顯示器；另外，系統(tǒng)使用蜂鳴器產(chǎn)生提示音來輔助用戶的輸入操作，使得人機交互操作更加簡單便捷。LED監(jiān)視燈的設(shè)計則可以讓用戶實時了解系統(tǒng)運行狀況，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。通過本文簡易計算器實例的設(shè)計，驗證了在嵌入式系統(tǒng)中，使用IP核可以加快設(shè)計過程，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計效率。

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［2］ 王瑞，游志宇，杜楊，王軍. MC8051單片機IP核的FPGA實現(xiàn)與應用［J］. 電子設(shè)計工程. 2009（01）

［3］ 徐慧，王金海，王巍. 基于FPGA的8051IP核的設(shè)計與實現(xiàn)［J］. 計算機技術(shù)與發(fā)展. 2009（03）