CPLD在DSP与液晶及键盘接口设计中的应用

姚国珍 尚秋峰

（华北电力大学（保定） 河北省保定市 071003）

数字信号处理器（Digital Signal Processing, DSP）是一种适合完成实时数字信号处理算法的微处理器，广泛应用在通信、家用电器、军事和医疗等领域。美国TI公司的TMS320C5509A为C5000系列中的一款低功耗16位定点DSP，在信号分析、数字通信、图形图像处理等方面应用较普遍[1]。在DSP构成的微处理器系统中，通常采用液晶和键盘作为人机交互工具，可实现参数或命令的输入及处理结果的显示输出等功能。

在微处理器系统中，进行液晶和键盘扩展时，通常采用输入输出端口（General-Purpose Input/Output，GPIO）实现。由于C5000系列DSP主要针对便携消费电子产品而设计，所以单独的GPIO较少。很多可以用作GPIO的引脚是和片上外设功能复用的，当其作为片上外设功能引脚时，就不能作为GPIO来使用[2]。所以，进行液晶和键盘扩展时，不能采用GPIO的方法进行扩展，否则会用影响片上外设的使用。

针对上述问题，本文采用复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）设计了点阵式液晶和矩阵键盘与TMS320C5509A的接口方法。利用本文的设计方法，通过DSP的外部总线即可实现DSP对液晶和键盘的控制，不占用GPIO资源，从而可以提高整个DSP系统设计的冗余度。

1 接口框图

DSP与液晶和键盘的接口框图如图1所示。DSP通过外部数据总线、地址总线及控制信号与CPLD相连，其中D7-D0为低8位数据总线，AWE为异步写使能信号，ARE为异步读使能信号，CE2为空间片选信号；为了减少电路布线压力，地址总线只用了其中一部分，包括A13-A11及A3-A0。液晶采用了128x64点阵式显示器，其接口有RS（指令/数据选择信号）、RW（读写选择信号），EN（使能信号），DB7-DB7（数据线）。键盘采用了4x4矩阵键盘，其中DK3-DK0对应矩阵键盘的“行”，DK7-DK4对应矩阵键盘的“列”。

图1：接口原理框图

2 CPLD程序设计

2.1 液晶部分

对液晶进行驱动时，需要产生两组信号，一组是控制信号RS、RW、EN和RST，另一组是用于传输命令或显示数据的总线信号DB7-DB0。上述两组信号都由DSP的数据线产生，图2给出了两组信号的CPLD图形化编程方法。四个控制信号RST、RS、RW和EN通过锁存器74273锁存数据线的低四位D3-D0产生，74273的锁存信号CLK由地址总线A13-A11和A3-A1、写信号AWE以及空间片选信号CE3译码产生，如图2(a)所示。地址信号A1和A12经过非门，并与其余地址信号、AWE和CE3进行“或非”运算后得到CLK信号，所以当A1和A12为逻辑“1”，其余信号为逻辑“0”时，则CLK为逻辑“1”，产生一个上升沿变化，可将数据总线D3-D0的状态锁存到74273的输出端。当CE3为逻辑“0”时，访问的是DSP的字地址为0x600000开始的空间，所以A1和A12位为逻辑“1”、其余位为逻辑“0”时，对应的地址为0x600801，即当DSP向地址0x600801进行写数据时，即可将D3-D0的状态锁存到74273的输出端，从而产生液晶的控制信号。限于CPLD引脚数量的限制，未将DSP的全部地址信号引入CPLD，只引入了A13-A11及A3-A1。所以，产生液晶控制信号的地址并不是唯一的，即只要满足A1和A12位为逻辑“1”、A13、A11、A3、A2位为逻辑“0”时都满足要求，0x600801只是多个地址中的一个，所以如果DSP系统中还扩展了其它外设及存储器，应注意避免地址冲突情况的发生。

液晶的数据信号由DSP的数据线D7-D0产生。由于DSP的数据线还要驱动键盘、存储器等其它器件，在不驱动液晶时，需要液晶与DSP的数据线进行隔离，所以，产生液晶数据信号时，除了要用74273进行锁存外，还采用了74244完成总线隔离，如图2(b)所示。74244的选通信号由一片74273通过锁存DSP数据线的D0位产生，74273的锁存信号的产生方式与图2(a)中74273的锁存信号产生方式相同，对应的地址为0x600800。74244的输入端为74273锁存的DSP的数据线D7-D0，此74273的锁存信号对应的地址为0x600802。

图2：液晶驱动信号产生

综上，对液晶进行控制需要访问3个地址，相当于在CPLD中定义了3个寄存器，寄存器地址分别是0x600800、0x600801和0x600802，根据寄存器的功能，分别称三个寄存器为数据选通寄存器、控制寄存器和数据寄存器，分别用GR、CR和DR表示。

2.2 键盘部分

键盘模块采用了4x4的矩阵键盘，通过行列扫描方式工作[3]，如图3所示。键盘共包括8个引脚DK7-DK0，其中DK3-DK0对应矩阵键盘的“行”，DK7-DK4对应矩阵键盘的“列”。键盘工作时，首先依次向行引脚写入扫描数据1110、1101、1011和0111，然后读取列引脚的状态，通过行列数据即可确定是哪个按键按下。图4给出了CPLD的图形化编程方法，由图3可知，写行数据时，通过74273将DSP数据线的D7-D4锁存到矩阵键盘的DK7-DK4引脚上，对应的地址为0x600803；读列数据时，通过74244将DK3-DK0的状态读取到DSP的数据线D3-D0上，对应的地址为0x600804。

图3：键盘引脚图

图4：键盘驱动信号产生

3 驱动程序设计

3.1 液晶部分

用C语言进行编程时，需要根据液晶的各个引脚的时序要求，使CPLD的输出引脚产生相应的信号。图5给出了对液晶进行写操作时的时序图，由图5可知，进行写操作时，首先要使RS和R/W信号有效，当向液晶写要显示的内容时，RS为高电平，当向液晶写控制命令时，RS为低电平；由于是对液晶进行写操作，所以R/W为低电平。然后，使能信号E变为高电平，数据总线上出现写入液晶的数据，持续一段时间后，使能信号E再变为低电平，完成一次写操作。

图5：液晶写操作时序图

根据液晶写操作的时序图，图6给出了在DSP上编程时的流程图。首先向GR写入0x00，此时DSP的地址总线上出现0x600800，数据总线上出现0x00，D0位为“0”，按照图2（b）所示逻辑，74244将被选通。然后向CR写入0x03（或0x01），使E=0、R/W=0、RS=1（或0），向DR写入显示数据或命令。再通过依次向CR写入0x0b（或0x09）和0x03（或0x01）使信号E产生一段高电平信号，将显示数据或命令写入到液晶中，为了使高电平信号持续时间满足时序要求，需要在此处加入一段时间的延时。最后向GR写入0x01，使D0位变为“1”，将数据总线断开，完成一次液晶的写操作。

图6：液晶写操作流程图

向液晶进行写操作的C语言程序如图7所示，其中void LCD_writeData (unsigned int content)和void LCD_writeCommand (unsigned int content)分别是向液晶写数据和写命令的函数，函数的参数unsigned int content为写入的字节，函数的前面，采用宏定义的方式了定义了三个寄存器名称。

图7

3.2 键盘部分

对键盘进行编程时，首先写入行数据，然后读取列数据，并根据行列数据判断是否有键按下。如果有键按下，则等待一段时间，再次判断是否有键按下，以防止出现抖动导致的误判。当判断确实有键按下后，则可根据写入的行数据和读取的列数据判断是哪个按键按下，扫描键盘的流程图如图8所示。

图8：键盘扫描程序流程图

下面给出了用C语言编程实现的键盘扫描程序，扫描过程由一个for循环完成，每循环一次完成键盘一行的扫描。当判断出按下的键后，利用printf函数输出该键对应的符号，实际应用时，可将printf函数替换为按键对应的子函数或功能代码。如图9所示。

图9

4 总结

本文针对C5000系列DSP的GPIO较少的问题，采用CPLD设计了TMS320VC5509A与液晶和键盘的接口电路，详细给出了CPLD图形化编程实现方法和DSP的C语言编程的实现方法。该方法采用TMS320C5509A的数据总线和地址总线访问液晶和键盘，避免了占用过多的GPIO的问题。本文的设计方法不仅可应用在DSP系统中，在其它具有外部总线的微处理器构成的系统中同样适用。