CN204856474U - 一种基于fpga的通用人机接口装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的通用人机接口装置，包括带有FPGA芯片和LED灯的控制板，以及均与控制板上的FPGA芯片相交互的MCU、LCD液晶显示屏、键盘和按键；FPGA芯片用于与MCU信号交互、产生LED灯控信号、键盘和按键信号的扫描检测以及控制LCD液晶显示屏。本实用新型控制板采用双FPGA芯片协同工作结合外围电路实现该人机接口装置与系统MCU之间的信息交互、对LCD液晶显示屏显示控制、触摸按键响应控制、面板LED指示灯控制，对外提供一路串行接口用于对设备进行现场调试维护。

Description

一种基于FPGA的通用人机接口装置

【技术领域】

本实用新型属于通讯设备技术领域，涉及一种用于工业控制终端、工业测控终端的人机接口装置，尤其是一种基于FPGA的通用人机接口装置。

【背景技术】

随着电子技术的日益进步和普及，配备有人机接口(HMI)装置的终端设备越来越多的出现在人们的日常生活中及工业控制领域，如银行的ATM终端、立体车库操控终端、入户电表显控终端、智能配电设备测控终端、数控机床控制终端等。通过这些装配有人机接口装置的终端设备，极大的便利了人们的生活和工作，提升了生活质量，提高了工作效率。

目前都是针对特定用途专门研发相关人机接口装置以满足人机交互使用，很难做到具备通用性的人机接口装置，其关键问题就是各种外设接口各异、操作方式和接口控制信号不尽相同，要想做到通用就必须考虑如何解决接口兼容、多种接口信号均可控的问题。

近年来由于FPGA芯片简单易用、可扩展性强、价格经济、易于采购维护，被越来越广泛的应用于各种电子技术、计算机技术、通信技术领域。构建基于FPGA的具有一定通用性的人机接口装置可以极大的提高人机接口装置的通用性、操作性，便于修理维护，提高效率，降低成本。

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于FPGA的通用人机接口装置。本实用新型具有一定通用性，接口可扩展，内部实现简易灵活，采用通用可编程逻辑器件实现，针对不同应用需求稍作适配即可灵活应对，具备成本低廉、操作简单、通用性强、适应面广等特点，可广泛应用于各种工业控制终端、工业测控终端进行人机交互。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种基于FPGA的通用人机接口装置，包括带有FPGA芯片和LED灯的控制板，以及均与控制板上的FPGA芯片相交互的MCU、LCD液晶显示屏、键盘和按键；FPGA芯片用于与MCU信号交互、产生LED灯控信号、键盘和按键信号的扫描检测以及控制LCD液晶显示屏。

本实用新型进一步的改进在于：

控制板包括第一FPGA芯片、第二FPGA芯片、总线收发器、锁存器、时钟、缓冲器、隔离器、接插件以及LED灯；第一FPGA芯片通过缓冲器分别与按键和键盘相连，通过锁存器与LED灯相连；第一FPGA芯片与第二FPGA芯片相交互，第二FPGA芯片与LCD液晶显示屏相连。

系统地址总线、数据总线以及控制信号经总线收发器后传输到第一FPGA芯片中，经第一FPGA芯片译码、缓存操作产生灯控信号、串口调试收发信号；MCU控制第一FPGA芯片监测触摸键盘信号和按键信号的状态，并将状态信息返回给系统MCU。

第二FPGA芯片通过系统总线信号与第一FPGA芯片产生的片选及控制信号实现LCD液晶显示屏的使能信号、片选信号、读/写信号以及寄存器控制信号时序的产生，完成对LCD液晶显示屏的上电配置以及读/写操作。

控制板通过第一连接器与MCU相连，通过第二连接器与与LCD液晶显示屏相连，通过第三连接器与键盘相连，通过第四连接器与按键相连。

第一连接器、第二连接器、第三连接器以及第四连接器均通过电缆与MCU、LCD液晶显示屏、键盘以及按键相连。

第一连接器、第二连接器、第三连接器以及第四连接器采用能够与不同组件接口适配的连接器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型设置带有FPGA芯片的控制板，将MCU、LCD液晶显示屏、键盘和按键与控制板中的FPGA芯片相连，FPGA芯片用于与MCU信号交互、产生LED灯控信号、键盘和按键信号的扫描检测以及控制LCD液晶显示屏；本实用新型采用常见FPGA芯片实现，相较搭建硬件电路实现更为灵活通用，接口可适配、功能可裁剪、结构可灵活布局，可根据具体应用领域、应用场合，选配LCD液晶显示屏、触摸键盘、按键。

【附图说明】

图1为本实用新型的系统实现功能框图；

图2为本实用新型的系统物理连接示意图；

图3为本实用新型控制板上FPGA原理框图；

图4为本实用新型实施例中的人机接口装置面板示意图；

图5为本实用新型实施例中的人机接口装置控制板FPGA功能框图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

以下结合附图和实施例对本实用新型的内容做进一步详细说明，但本实用新型的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。

参见图1至图3，本实用新型由控制板、LCD液晶显示屏、触摸按键及连接电缆组成。可安装于各种工业控制终端、工业测控终端的面板上，完成终端与外界的信息交互。控制板通过连接电缆将系统总线信号及控制信号接入，用两片FPGA芯片协同工作实现产生LED灯控信号、按键操作扫描、键盘操作控制、液晶显示控制、串行口调试功能。

如图2系统物理连接示意图所示，本实用新型对外有4条连接电缆，分别连接MCU、LCD液晶显示屏、触摸键盘以及按键。控制板上设置第一连接器、第二连接器、第三连接器以及第四连接器。使用时第一电缆1的一端与控制板上第一连接器连接，另一端与用户提供的MCU接口连接完成与MCU系统总线的交互；第二连接器通过第二电缆2与LCD液晶显示屏接口连接；第三连接器通过第三电缆3与触摸键盘接口连接；第四连接器通过第四电缆4与按键接口连接。第一电缆1与MCU连接一端的第一连接器可根据不同应用要求灵活定制，第二电缆2与LCD液晶显示屏连接一端的第二连接器可根据所选用的LCD液晶显示屏进行适配，第三电缆3与触摸键盘连接一端的第三连接器可根据所选用的触摸键盘进行适配，第四电缆4与连接一端的第四连接器可根据所选用的按键要求进行适配。本实用新型还可根据具体应用灵活剪裁，在某些简单应用场合可定制是否保留与触摸键盘和按键的连接接口。

LED灯安装于控制板上。根据应用需求可对LCD液晶显示屏、触摸键盘、按键的安装位置安装方式灵活布局。

本实用新型在上电MCU初始化完成后，检测控制系统分配给人机接口装置的片选地址有效，通过装置面板上安装的LED灯控信号给出指示，此时操作者可进行按键操作、触摸键盘操作。通过按键操作可对装置进行启动、重启、复位、串口调试功能，或根据具体应用对按键进行重定义。MCU上电扫描触摸键盘是否有信号被触发，若有被触发信号，根据装置返回数据判断装置当前状态，对装置请求作出相应响应，发出对应操作命令。装置上电初始化正常后，通过逻辑控制可启动LCD显示功能，由系统控制信号产生LCD的使能、片选、复位、读/写、寄存器选择等信号的时序逻辑，完成对LCD液晶显示屏的输出控制。

如图3所示，控制板上包括第一FPGA芯片、第二FPGA芯片、总线收发器、锁存器、时钟、缓冲器、隔离器、接插件、LED灯。

第一FPGA芯片主要功能为与MCU的信号交互，灯控信号产生，键盘、按键信号的扫描监测。系统地址总线、数据总线、控制信号经总线收发器后传输到第一FPGA芯片中，经第一FPGA芯片译码、缓存等操作产生灯控信号、串口调试收发信号等。MCU控制第一FPGA芯片监测触摸键盘信号和按键信号的状态，并将状态信息返回给系统MCU。

第二FPGA芯片主要功能为与MCU、第一FPGA芯片完成信号交互及LCD液晶显示屏的控制。第二FPGA芯片通过系统总线信号与第一FPGA芯片产生的片选及控制信号实现LCD液晶显示屏的使能信号、片选信号、读/写信号、寄存器控制信号时序的产生，完成对LCD的上电配置、读/写操作。

采用两片FPGA芯片来构建人机接口装置的控制功能模块为人机接口装置带来了极大的通用性、灵活性和可配置性：预留4个系统控制功能按扭，其定义可根据不同应用场合自由定制；根据不同应用需求，用户可选配适当的LCD液晶显示屏；装置仅需根据用户需求的按键定义及相应LCD液晶显示屏接口定义进行配置便可实现操作控制功能。

根据不同用户接口，装置均可通过选配相应电连接器即可适配多种用户接口；人机接口装置面板布局也可根据需求进行定制，通用灵活。

实施例：

配电网智能终端测控设备人机接口装置

如图4和图5所示，本实施例应用于配电网智能终端测控设备FTU的人机接口界面。其主要由控制板、LCD液晶显示屏、薄膜触摸键盘、圆形按钮组成。其中控制板由两片XC9572配合总线收发器、锁存器、缓冲器及外围电路构建。第一连接器选用40芯扁平电缆。第二连接器选用20芯单排插针。第三连接器选用10芯双排插针，第四连接器选用12芯双排插针。

LCD液晶显示屏选用图形点阵液晶显示屏DM12864J，该面板采用动态驱动原理由行驱动控制器和列驱动控制器两部分组成了128(列)×64(行)的全点阵液晶显示。此显示器采用了COB的软封装方式，通过导电橡胶和压框连接LCD。该液晶屏控制信号有E使能信号，RS寄存器选择信号，R/W读写信号，DB7-DB0八位三态并行数据总线，CS1左半屏片选信号，CS2右半屏片选信号，/RES复位信号。与CPU接口采用5条位控制总线和8位并行数据总线输入输出；内部有显示数据锁存器；简单的操作指令完成显示开关设置、显示起始行设置、地址指针设置和数据读/写等指令。接口为20芯扁平电缆。

薄膜触摸按键采用九宫格形布局，键盘功能分别为：加、减、上、下、左、右、删除、返回，接口为10芯扁平电缆。

按键被定义为手动控制、手动合闸、手动分闸、告警复位。

控制板上FPGA采用Xilinx公司的FPGA芯片XC9572，此款芯片提供1600个可用逻辑单元、72个用户IO管脚，价格低廉，IO端口兼容3.3V/5V电平。仿真接口5V电平，在线编译采用Xilinx通用仿真器连接即可。

总线收发器、缓冲器、锁存器均选用市面上通用的工业级元器件，价格低廉、易采购、易维修更换。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的通用人机接口装置，其特征在于，包括带有FPGA芯片和LED灯的控制板，以及均与控制板上的FPGA芯片相交互的MCU、LCD液晶显示屏、键盘和按键；FPGA芯片用于与MCU信号交互、产生LED灯控信号、键盘和按键信号的扫描检测以及控制LCD液晶显示屏。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的通用人机接口装置，其特征在于，所述控制板包括第一FPGA芯片、第二FPGA芯片、总线收发器、锁存器、时钟、缓冲器、隔离器、接插件以及LED灯；第一FPGA芯片通过缓冲器分别与按键和键盘相连，通过锁存器与LED灯相连；第一FPGA芯片与第二FPGA芯片相交互，第二FPGA芯片与LCD液晶显示屏相连。

3.根据权利要求2所述的基于FPGA的通用人机接口装置，其特征在于，系统地址总线、数据总线以及控制信号经总线收发器后传输到第一FPGA芯片中，经第一FPGA芯片译码、缓存操作产生灯控信号、串口调试收发信号；MCU控制第一FPGA芯片监测触摸键盘信号和按键信号的状态，并将状态信息返回给系统MCU。

4.根据权利要求2或3所述的基于FPGA的通用人机接口装置，其特征在于，所述第二FPGA芯片通过系统总线信号与第一FPGA芯片产生的片选及控制信号实现LCD液晶显示屏的使能信号、片选信号、读/写信号以及寄存器控制信号时序的产生，完成对LCD液晶显示屏的上电配置以及读/写操作。

5.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的通用人机接口装置，其特征在于，所述控制板通过第一连接器与MCU相连，通过第二连接器与与LCD液晶显示屏相连，通过第三连接器与键盘相连，通过第四连接器与按键相连。

6.根据权利要求5所述的基于FPGA的通用人机接口装置，其特征在于，所述第一连接器、第二连接器、第三连接器以及第四连接器均通过电缆与MCU、LCD液晶显示屏、键盘以及按键相连。

7.根据权利要求5所述的基于FPGA的通用人机接口装置，其特征在于，所述第一连接器、第二连接器、第三连接器以及第四连接器采用能够与不同组件接口适配的连接器。