ARM7的键盘与VFD显示器接口技术

引 言
    仪表行业以及工业生产过程对实时性、处理速度、智能化等方面有了更高的要求，而ARM微处理器具有功耗低、指令吞吐量高、实时中断响应、处理器宏单元性价比高等特点，因此，将ARM微处理器引入产品和工业生产的开发设计中已经成为一种必然趋势。
    在工业控制和产品设计中，一般都要求具有供操作的键盘和可视化界面。传统显示模块的设计一般都是采用I／O口外扩驱动电路连接而成，显示器一般都采用LED或LCD，要么成本低但实现起来比较复杂，要么实现起来简单成本却很高。笔者综合考虑了成本、实现的难易程度、功能以及稳定性等方面的要求，提出了一种实现起来较容易且具有较高对比度和精度的VFD显示的方法。

1 硬件电路的实现
    考虑到未来市场对功耗、处理速度、实时性、多功能、多任务处理等方面会有更高的要求，本设计采用基于周立功公司MiniARM的M2020—FNU20嵌入式核心板(微处理器为LPC2220)及其M22A开发板。M22A开发板的板上资源主要有：
    ◆μC／OS—II实时操作系统；
    ◆TCP／IP协议、FAT32文件管理系统；
    ◆UART、I2C、SPI通信接口；
    ◆JTAG接口支持在线调试；
    ◆工业级10M以太网控制接口CSB900A—IQ；
    ◆2 MB NOR Flash程序存储器等。
    另外，现代工业控制和产品生产大都需要可供操作的键盘以及可视化界面。本设计采用HTl6511芯片驱动键盘和显示。考虑到工业生产中各种不利环境的影响，本设计采用具有较高对比度，且具有很好的可靠性与环境适应性的VFD(真空荧光显示器)进行显示。HTl6511是一个典型的VFD驱动芯片，由5个led输出口、1个控制电路、1个显示存储器(内部)和1个按键扫描电路组成。微处理器通过三线串行接口对HTl6511进行串行数据输入、输出。图1是系统硬件电路框图，主要包括LPC2220与驱动芯片HTl6511的连接。HTl6511与VFD显示器的连接，使用HTl6511外扩的12×4的按键扫描电路以及指示灯和开关电路。

2 软件设计
    软件采用模块化设计方法，使用基于优先级的系统调度法来实现各个模块。每个模块设置为一个任务，如taskO为读键值模块，taskl为显示模块等。给每个模块设置一个固定的优先级，当任务执行完后自动挂起，挂起的时间长短可以自己设定。任务挂起后进入等待状态，挂起时间一到，任务自动进入就绪状态。
    开发板内嵌了μC／0S—II实时操作系统。本设计采用可剥夺型内核。若系统正在执行一个优先级较低的任务，且有一个或多个优先级较高的任务就绪时，优先级较低的任务将被打断，去执行优先级最高的任务。执行完成后，系统不会马上返回中断的地方，而是执行当前就绪任务中具有最高优先级的任务；当没有更高优先级任务就绪时，系统才返回原来中断的地方。若程序中某些模块(如读键值、推显等)不希望被打断，就需要在进入该模块的开始处关闭中断，执行完后再打开中断。以下是各个功能模块的实现。
2．1 HTl6511的读／写程序
    图2为HTl6511的数据读／写时序。其中，tcw为时钟脉冲宽度，最小值为400 ns；tsu为数据上传时间，最小值为100 ns；th是数据保持时间，最小值为lOO ns；tcs为时钟调整时间，最小值为1μs；tph1和tplh都是数据传递延迟时间，tph1最大值为300 ns，tplh最大值为100 ns。

    从图2中可以看出，读／写数据时必须置CS为低；写数据(D1)过程中，在时钟(CLK)的下降沿往数据线上送数，送完数后需要将CLK置高，且要保持一个tcw的时间；在读数据时，需要先将CLK置高一段时间，然后再拉低一段时间，才开始从数据线上读取数据。
    以下程序为向HTl6511写一个字符：

2．2 主要驱动程序
    驱动程序主要包括显示驱动和按键驱动。
    图3为HTl65l1的显示驱动一般命令时序。图中，命令1设置显示模式；命令2设置读／写数据模式；命令3设置读／写数据的起始地址；数据1到n为需要读／写的数据；命令4设置VFD的显示亮度。

    显示驱动程序主要包括向HTl6511写命令和写控制显示的数据；而按键驱动程序则主要是从HTl6511读取键值，再拼接为有效键值。由图3中时序可知，应先设置显示模式，然后设置读／写数据模式和读／写数据的起始地址，再发送数据，最后设置显示亮度。每发送一个命令或数据之后都需要一段延时。
    显示驱动程序为：

结 语
    在实际应用中，只需要将HTCS、HTCLK、HTD0、HTDI定义为微处理器的一般双向I／O口。根据使用的VFD真值表确定显示数据或字母的字形码。用一个数组disp口来存储这些字形码，并使用上述的update_disp()函数将数组发送到HTl6511驱动芯片，即可完成显示。对于按键扫描，使用read_key()函数已经读到按键值，并放在data寄存器中。
    本设计采用ARM微处理器实现了多功能键盘显示，具有实现容易、性价比高、显示精度高、显示对比度高、反应速度快等优点。因此，该设计适用于很多要求较高的工业应用场合。HTl6511的驱动模块适用于各种类型的微处理器。本设计采用ARM7微处理器来实现，主要是考虑到现代产品和工业过程设计中对功耗、处理速度以及功能的高要求。本设计具有一定的通用性，适应工业生产发展的总趋势。