人机交互接口电路设计论文

摘要：为有效解决动物学实验室有害气体净化问题，研制了适用于动物学实验室环境的有害气体净化装置。该装置采用STC12C5A60S2为处理器，通过MQ135和MQ-7传感器检测室内空气中的甲醛和一氧化碳的浓度，利用初效过滤层、活性炭海绵和TiO2光催化剂层作为净化材料对实验室内空气中的污染物进行净化。以下是小编精心整理的《人机交互接口电路设计论文(精选3篇)》相关资料，欢迎阅读！

人机交互接口电路设计论文 篇1：

基于Nios II的TRDB—LTM触控IP核设计

【摘要】对触点位置坐标识别与输入是触摸液晶屏的重要功能。由于SOPC Builder系统没有提供TRDB-LTM触摸屏的驱动，因而提出了一种基于Avalon总线的TRDB-LTM触控IP核的设计方法。实现TRDB-LTM触控屏触碰位置坐标的准确录入。给出系统硬、软件设计过程。经测试，所设计的IP核能够准确快速的识别触碰位置坐标，工作稳定可靠。

【关键词】TRDB-LTM触控屏；Nios II；Avalon总线；IP核

1.引言

随着各类多媒体应用终端、平板电脑、智能手机等嵌入式系统设备与日俱增[1]，触摸屏作为一种集信息显示与输入，数据通信与转换多种功能于一体的先进人机交互接口，已越来越广泛地应用在各类嵌入式智能设备上，它轻薄体小，画质清晰，易于设计友好的交互界面和实现简单直观操作体验。因而對触摸屏实现支持几乎已然成为嵌入式系统应用开发的必然要求。

在Altera的SOPC软件工具中，已经集成有一些参数化电路功能模块，即IP核[2]。如SSRAM、Flash、Avalon三态桥、PLL、UART等。但是在显示方面，Altera只提供了一个16*2 LCD的控制IP核[3]，没有提供触屏IP核，使用时需要编写硬件的时序程序[4]。另外，目前多数研究者致力于设计LCD显示控制的IP核，即LCD的显示（输出），对于触控屏（LTM-LCD）的触控（输入）的研究不多[5]。本文提出一个基于NiosⅡ的TRDB-LTM触控IP核设计，用以实现TRDB-LTM的触控功能。本IP核可以和系统自带的IP核一样，直接挂载于Avalon总线，作为NiosⅡ软核的SOPC一个外设[5]。

2.Avalon总线

2.1 Avalon总线概述

Avalon总线是由Altera开发的一种专用的内部连线技术[6]。它由SOPC自动生成，是处理器与外设之间理想的内联总线，是构建嵌入式系统、开发自定义外设IP核的基础。Avalon接口规范定义了外设和Avalon Switch Fabric之间的数据传输。Nios II系统的所有外设都是通过Avalon总线与Nios II CPU进行数据交换。Avalon接口是一种开放标准，使用Avalon接口创建和发布定制外设不需要任何授权[6]。

2.2 Avalon总线从端口读传输

Avalon总线传输有两个基本模式：主传输和从传输[6]。支持流水传输、三态传输和突发传输属性。TRDB-LTM触控IP核使用的是效率较高的流水从端口读传输，增加传输宽带，提高触控响应灵敏度。具体时序规范此处从略[7]。

3.硬件设计

3.1 TRDB-LTM触碰功能

LTM是LCD Touch Panel Module的缩写。TRDB-LTM是Terasic友晶科技公司推出的4.3英寸数字LCD触碰屏幕套件，分辨率高达800*480。它包含了三个主要的架构：LCD触摸面板、AD转换器、40-pin IDE接口[8]。LTM可由40-pin插座排线连接到Alter DE2-70开发板，LTM集成ADI公司的AD7843触摸屏转换芯片，可将触点的X/Y坐标数字化并保存，并通过SPI数字串行接口与FPGA芯片建立通信连接。AD7843的转换过程参考其数据手册[9]。

3.2 LTM屏幕坐标规划

由Terasic公司提供的LTM文档，我们可以知道，按照功能的不同，屏幕坐标被分成了两种方式表现，一种是时序坐标，一种是触碰所得到的屏幕坐标。时序坐标（x，y）的取值范围从（0，0）至（800，480）。X轴正向为水平向右，Y轴正向为垂直向上。

图1 LTM四个角上的坐标[7]

3.3 TRDB-LTM触摸屏控制器IP核

TRDB-LTM触控IP核Touch_Avalon_Interface的设计结构图如图2所示，主要包括Avalon总线从端口、时钟与复位模块、TRDB_LTM接口模块3个部分。Avalon总线从端口部分主要是为了与Avalon总线通信，时钟与复位模块为IP核提供时钟与复位信号，TRDB_LTM接口模块负责与LTM上的AD转换芯片AD7843进行数据传输。

图2 触控IP核结构框图

iADC_DOUT接收来自AD7843的坐标数据，iADC_DIN向AD7843发送控制字，iADC_PENIRQ_n中断指示信号，低电平有效，表示ADC转换完成，详细的转换时序参见数据手册[8]。将IP核在SOPC Builder里打包封装，如图3所示。

图3 Touch_Avalon_Interface IP核

Avalon總线挂载界面

图4 TRDB-LTM触控IP核

添加到Nios II系统后的生成界面

图5 Console控制端读到的触点位置坐标

4.软件设计

Touch_Avalon_Interface IP核设计文件包括HAL和HDL两个文件夹。HAL里面是IP核的Nios Ⅱ C语言驱动源程序（Touch_Avalon_Interface.h，Touch_Avalon_Interface.c）。HDL中是IP核的Verilog定义文件。限于篇幅，只附上顶层IP核端口的定义：

IP核的Nios Ⅱ C语言驱动源程序主要功能是将IP核读取到的实时触碰坐标通过算法转换成显示坐标，即前文所提的时序坐标。具体程序如下：

为了测试Touch_Avalon_Interface IP核的效果，将IP核添加到一个完整的Nios II系统中，如图4所示。图中红色框中的Touch_Avalon_Interface即为本文所设计的自定义触控IP核。

通过Nios II IDE建立用户工程，将驱动文件拷贝进工程，设置编译，完成后下载到Terasic的DE2-70开发板[10]上进行的测试。触碰LTM屏幕，可在Nios II IDE的Console控制端实时显示触点位置坐标（如图5所示）。

5.结语

本文所提出TRDB-LTM触控IP核设计通过DE2-70开发板硬件平台的测试，触碰响应灵敏，定位准确，实现了TRDB-LTM触碰位置坐标的准确录入。由于Nios Ⅱ核在同一FPGA中的植入数量没有限制，只要FPGA资源充足[7]，因而本IP核可以非常自由地结合其他设计中的关于LCD显示控制IP核挂载在Avalon总线上，使FPGA上的SOPC实现对触摸屏的完全支持，使后续应用界面开发者不必关心触屏的底层时序规范，从而缩短开发周期，提高开发效率。

参考文献

[1]刘波文，张军，等.FPGA嵌入式项目开发三位一体实战精讲[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012：314-347.

[2]苏阳，蒋银坪，等.那些年，我们拿下了FPGA[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013：304-306.

[3]李顺方，周卫星，白洁.基于Avalon总线的可配置LCD控制器IP的核设计[DB/OL].（2007-06-12）[2011-06-25].http：//www.paper.edu.cn.

[4]刘少鹏，郭宝增，赵丽娜，马韬.基于FPGA的彩色触摸屏控制器的设计[J].微型机与应用，2012，31（12）：18-20.

[5]崔旭晶，马平全.基于SOPC的触控屏控制器IP核设计与实现[J].电子设计工程，2012，20（14）：165-169.

[6]梁旭，凌朝东.基于Nios II的TRDB-LTM控制器IP核设计[J].通信技术，2011，11（44）：109-115.

[7]周立功.SOPC嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006：233-239，260-264，2.

[8]Terasic.TRDB_DC2_UserGuideV1.22[M].[S.l.]： Terasic，2007.

[9]Analog Devices，Inc..AD7843Touch Screen Digitizer Datasheet [M].[S.l.]：Terasic，2004：Rev B.

[10]DE2-70 User Manual Version 1.08[Z].Terasic Technologies Ltd，2009.

作者简介：

雷松华（1987—），男，湖南常德人，硕士研究生，研究方向：电子电路设计，嵌入式开发。

郑铿（1988—），男，广东潮汕人，硕士研究生，研究方向：FPGA，图像处理。

作者：雷松华 郑铿

人机交互接口电路设计论文 篇2：

动物学实验室有害气体净化装置研制

摘 要：为有效解决动物学实验室有害气体净化问题，研制了适用于动物学实验室环境的有害气体净化装置。该装置采用STC12C5A60S2为处理器，通过MQ135和MQ-7传感器检测室内空气中的甲醛和一氧化碳的浓度，利用初效过滤层、活性炭海绵和TiO2光催化剂层作为净化材料对实验室内空气中的污染物进行净化。初步试验结果表明：该装置净化效果明显，工作稳定、可靠，具备了实际应用的技术条件。

关键词：动物学实验室 有害气体 净化

随着我国高等教育事业的飞速发展，实验室作为本科生科学实践、研究生培养和教师科学研究的重要场所，越来越得到了人们的重视。其中，以动物学实验室为代表的生物类实验室更是在近年内发生了迅猛扩增和质变，成为高校内继物理和化学类实验室之后的最为重要基础实验室之一。同时，不容忽视的是，随着该类实验室实验项目的增加、开放力度的加大，实验室的空气环境污染问题也日益凸现。故该文特进行了相关动物学实验室有害气体净化装置研究。

1 动物学实验室有害气体净化装置工作原理

为满足在动物学实验室的空气净化要求，该文所设计的净化装置采用模块化设计，具体由传感器、控制器和空气净化机三部分组成。具体工作原理为，通过污染气体传感器采集实验室内的各种污染物的浓度信号，并将该信号传输给以STC12C5A60S2单片机作为核心元件的控制器。该控制器根据《室内空气质量标准GB/T18883-20026》规定的阈值，控制空气净化机涡轮风扇的开启，使气流流经空气净化机，以达到净化空气的目的。

2 动物学实验室有害气体净化装置部件设计

（1）传感器的选择与电路设计：该文采用半导体型气敏传感器检测动物学实验室室内空气中的甲醛和一氧化碳等典型污染气体，其采用的具体型号为MQ135甲醛传感器和MQ-7一氧化碳传感器。

MQ135和MQ-7传感器都是采用的高低温循环检测方式，当检测甲醛和一氧化碳时，传感器的电导率随着空气中甲醛和一氧化碳浓度的增加而增加，并通过转换电路实现将阻值率的变化，从而达到转换为与该气体浓度相对应的输出的数字信号和模拟信号。

（2）控制器组成与电路设计：控制器由STC12C5A60S2单片机和液晶显示器组成。该文所采用的微处理器室STC12C5A60S2，属于51系列单片机，具有工作电压稳定，内部集成专用复位电路等特点，适用于该控制器的使用要求。

液晶显示器为净化装置提供了直观的人机交互接口，它可以及时为使用者提供净化装置所采集到的数据信息，如室内甲醛和CO的含量。本净化装置的设计采用1602型液晶显示器。

（3）空气净化机设计：该文采用多层过滤与光催化净化相结合的净化方式，进行空气净化机设计。即该设计中的空气净化机采用初效过滤、活性炭过滤网和TiO2光催化剂层相结合。其中初效过滤层能够过滤直径大于5μm的颗粒，它的过滤效率在90%以上，活性炭海绵具有吸附作用，它的网状结构增大了污染物的接触面积提高了吸附效率；空气经过初效过滤层和活性炭海绵的过滤后，再利用TiO2光催化剂层的光催化原理进一步对污染物进行净化。具体结构如图1所示。

3 模拟净化试验与净化效果分析

为了对所设计的净化装置的功能和性能进行考核验证，该研究在接近实际空间环境的模拟实验舱内进行了相关测试。

（1）试验方法。

该试验采用对比试验，即一次为净化装置不工作的试验；另一次为净化装置工作的试验。净化装置不工作的试验仅仅是检测密闭模拟实验舱中甲醛和CO的含量，作为第二次试验的对比参照。两次试验都是选用二手烟作为主要的污染物，由于二手烟中含有甲醛、CO等有害物质，因此它能在一定程度上模拟动物学实验室室内空气中的污染物。

（2）试验步骤。

①首先进行净化装置都不工作的试验，断开控制电路之间的接口；

②将烟雾以一定的方式喷入相对密封的实验舱中，观察液晶显示器上数据的变化，并记录实验过程；

③净化试验，首先重复步骤②；

④观察液晶显示器，当液晶显示器上甲醛与CO的含量的最大值与第一次大致相同时，快速连接控制电路之间的接口；

⑤记录实验过程与数据，并进行相关分析。

（3）试验结果与分析。

依据试验结果，得到图2。通过图2可以发现，当空气净化装置工作时，甲醛和CO含量下降的程度比净化装置没有工作时的下降程度明显增大。从而可以证明，该文所设计的净化装置具有净化功能。同时，经过进一步的分析可以看出甲醛的浓度下降速率比CO的浓度速率下降快，证明该净化装置对甲醛的净化效果好于对CO的净化效果。

4 结语

该试验所研制的动物学实验室有害气体净化装置，可以实现对多种有害气体的实时监测，净化效果明显。该项研究为改善动物学实验室室内空气质量奠定了良好的技术基础，在将其推广实际应用，还需在该装置与室内其他空气调节设备协调工作的合理性设计方面进行进一步研究。

参考文献

[1] 王杰，刘晓明.高校实验室安全管理工作探讨与对策研究[J].实验室技术与管理，2010，27（3）：247-248.

[2] 岳文.高等师范院校动物学实验室管理探讨[J].科技信息，2013，26（4）：159.

[3] 王冰鑫，刘艳华.高等农林院校动物学实验室的环境污染与防治[J].现代企业教育，2014，7（4）：377.

作者：吴桐 张宇 刘艳华

人机交互接口电路设计论文 篇3：

ＬＣＤ驱动器ＲＡ８８１６接口及编程方法

摘要：LCD驱动器RA8816支持多种控制接口，并且将中文字库、点阵LCD驱动、键盘扫描电路和通用IO口等多种实用的外围电路集成在单颗芯片内部。利用RA8816构成的人机交互系统，软、硬件设计得到极大的简化，不仅更容易控制，而且还能降低系统成本，是构成微机控制系统人机交互的理想方案。文中全面介绍了RA8816的硬件配置方法及关键的控制程序。

关键词：液晶显示驱动器；中文字库；控制接口；键盘扫描电路

引言

在控制器应用中，人机交互通常是利用显示和输入设备来完成的。最简单的显示设备是LED指示灯。通用的IO口就可以控制LED，但LED显示的信息量有限且功耗较大。对于较复杂的信息输出，通常利用LCD进行显示。LCD功耗低、体积小、重量轻、显示的信息量大，能显示各种类型的信息，如字符、图形(包括汉字、曲线、表格等)，正越来越广泛地应用于各个领域，尤其是在便携设备中，更是占据着绝对主流的地位。对于字符或数字的信息显示，通常可用段码式LCD驱动器，如盛群的HT1621等。而对于复杂的信息显示，则必须由点阵式LCD驱动器来驱动显示。最常见的点阵式LCD驱动器中，有不带中文字库的东芝LCD驱动器T6963[1，2]，也有带中文字库的矽创LCD驱动器ST7920[3,4]。

对于输入设备，最常见的输入设备是按键或键盘。在小型控制系统中，键盘通常可以利用处理器的IO口进行矩阵式行列扫描来实现。但是这种键盘实现方法不仅占用IO口线，而且降低了处理器的效率。另一种键盘输入方法是利用专用的键盘接口芯片，如英特尔的8279[5]，周立功的ZLG7289[6，7]等，这种专用芯片的方法会增加电路的复杂性和成本。

在小型便携式应用中，不仅系统控制器的存储空间较小，无法将中文字库放在其存储空间内，而且控制器的IO口数量也非常有限，不能满足实际应用对按键及IO口数量的要求。瑞佑科技最新推出的RA8816，不仅内置了中文字库，而且还提供了4×5的键盘扫描接口及多种控制器接口，特别适用于各种小型屏幕应用产品，如收银机、电话机、传真机、手持式电子装置及各式测量设备等。本文全面介绍RA8816的硬件配置方法以及软件编程方法。

1RA8816主要特性

RA8816是一个点阵LCD驱动控制器，能够支持中英文及图形显示模式，其内部结构框图如图1所示。RA8816内部包含中文字库、数字和英日欧文等字母字库。具有1170字节的显示内存，最大可支持144×65的LCD面板。此外，RA8816还提供450字节的屏幕滚动缓存，使其具有滚动屏幕显示内容不断更新的效果。与ST7920不同的是，RA8816可以任意指定中文字符的显示位置，并且无须偶地址对齐。RA8816还提供了256字节的CGRAM用于自行造字，以便在文字模式下显示字库中没有的文字符号。

在控制器接口方面，RA8816提供了多种接口方式，可直接支持8080/6800系列控制器的并行数据总线接口，并提供4位或8位的数据位宽。此外RA8816还支持串行总线控制接口，包括3线、4线（A-Type和B-Type两种）及I2C共四种的串行接口方式。

RA8816集成了多种实用接口，其中4×5键盘扫描接口能够支持长按及短按时间判断，8个通用IO口可直接驱动LED，这些接口极大地简化了外围电路设计。因此在系统开发时，可选用成本较低的微控制器与RA8816搭配，不仅使系统设计快捷、方便，而且能够降低开发成本。

RA8816的主要特性有：

●支持1/65占空比，1/9~1/5偏压的LCD面板；

●内置2~4倍升压电路、电压调整电路及电压跟随电路；

●内置RC振荡器；

●支持文字与图形两种混和显示模式；

●支持BIG5或GB码；

●支持ASCII 8×8英文字型，8×16半角和16×16全角简体中文或繁体中文；

●支持粗体、反白、滚动等多种显示效果。

2RA8816接口及编程

2.1RA8816控制接口

RA8816可工作在并行模式或串行模式，工作模式的选择由P/S引脚状态来决定，如图2所示， 为高电平时，选择并行模式，否则为串行模式。引脚C86用来选择并行接口的类型，当C86为高电平时选择6800系列控制器接口；为低电平时选择8080系列控制器接口。引脚BIT4用来确定并行模式中数据总线的宽度，BIT4为高电平时总线宽度为4位，否则总线宽度为8位。图2所示配置为6800系列并行接口，8位总线宽度。在并行模式下，只要将RA8816与微控制器的相应引脚相连即可。对RA8816的控制访问，与8080/6800控制器对存储器的访问方式相同。

P/S为低电平时，RA8816工作在串行模式，数据总线的DB[7..6]作为串行模式选择位SMOD[1..0]，这两位决定RA8816采用哪种串行模式，如表1所示。

RA8816工作在串行模式时，控制器对RA8816的访问要遵循一定的时序，下面以I2C和4线方式为例来说明其控制方法。系统控制器对RA8816有两种控制时序，一种是对命令寄存器的读写（RS=0），另一种是对数据寄存器的读写（RS=1）。RA8816的命令寄存器共有25个，在对命令寄存器读写时，控制器必须先告诉RA8816要对哪一个命令寄存器进行读或写，因此控制器传递给RA8816的第一个数据是RA8816命令寄存器的索引号，第二个数据才是真正写入（或读出）该命令寄存器的有效数据。命令寄存器控制着RA8816的显示属性，数据寄存器反映RA8816的显示内容。利用I2C总线接口对RA8816命令寄存器的写时序如图3所示。

根据图3所示时序，写命令寄存器的子程序如下所示：

uchar LCD_CmdWrite(uchar Reg_Addr, uchar Data) {

uchar check_flag;

I2C_Start(); //I2C开始条件

I2C_SendAddress(RA8816_Addr, I2C_WRITE);//RA8816器件地址（写）

check_flag = I2C_ReadAck();//读取应答位

if (check_flag)goto lable_i2c_err;//RA8816没有应答

I C_SendData (Reg_Addr|RS_0);//发送RA8816命令寄存器索引号

check_flag = I2C_ReadAck();

if (check_flag)goto lable_i2c_err;

I2C _SendData(Data);//发送有效数据

check_flag = I2C_ReadAck();

if (check_flag)goto lable_i2c_err;

retuenOK;

lable_i2c_err:

I2C_Stop();//I2C停止条件

retuen I2C_ERROR;

}

利用4线(A-Type)接口对RA8816命令寄存器的写时序如图4所示。

根据图4所示时序，写命令寄存器的子程序如下所示：

uchar LCD_CmdWrite(uchar Reg_Addr, uchar Data) {

PIN_CSZ = 0;//片选有效

PIN_SCK = 0;

PIN_SDA = 0;//RW=0 （写）

PIN_RS = 0;//RS=0 （命令寄存器）

Delay_2us(1);

PIN_SCK = 1;

Delay_2us(1);

PIN_RS = 1;//RS=1

AType_SendData(Reg_Addr);//发送RA8816命令寄存器索引号

AType _SendData(Data);//发送有效数据

PIN_CSZ = 1;//片选无效

retuenOK;

}

2.2RA8816键盘接口

RA8816的矩阵键盘扫描接口应用起来非常方便，只要将KST[3..0]行扫描输出和KIN[4..0]列信号输入接上相应的按键，如图5所示，并通过相应命令寄存器的设置就能正常工作。

与键盘有关的寄存器有两个：键盘扫描控制寄存器（KEYR）和键盘扫描数据寄存器（KSDR），KEYR为只写寄存器，KSDR为只读寄存器，这两个寄存器共用一个寄存器地址，写入时选择KEYR，读出时选择KSDR。KEYR的主要控制位有：DB7为键盘扫描使能位；DB[6..5]用来确定键盘消抖动时间；DB3为1时选择自动模式，RA8816会自动判断被按下的键，并将键码存储在KSDR中；当DB3为0时选择非自动模式，此时KSDR中的内容反映的是矩阵键盘行列的电平状态。

当工作在自动模式时，4×5键盘的20个键用BCD码表示为0x00~0x19；当键码为0x20~0x39时，表示对应的按键被长按；当键码为0x42时，表示按键被释放。读取键码的程序代码如下：

uchar Check_Key_Number(void) {

uchar next_status, key_number = 0xFF;

static uchar prev_ststus = 0xFF;

next_status = LCD_CmdRead(KSDR) & 0x7F;//读取键盘扫瞄寄存器

if (next_status != 0x42)

prev_ststus = next_status;//若按键未释放，保存键码

else

key_number = prev_ststus;//若按键释放，返回保存的键码

LCD_CmdWrite(ISR, 0x00);//清除键盘扫瞄中断标志

returnkey_number;

}

3小结

内置中文字库的LCD驱动器RA8816，支持常见的8080/6800系列控制器并行接口和多种串行接口，这极大地扩展了RA8816的应用范围。此外，RA8816还提供了键盘扫描和通用IO接口，大大简化了系统硬件电路设计和软件设计，使得用小封装和小存储空间的控制器就能实现完善的人机交互界面。实验结果表明，RA8816构成的人机交互系统可以使硬件电路更加紧凑、可靠，软件设计更加方便。

参考文献

［1］邓彬伟，皮大能.嵌入式系统中LCD控制器通用驱动程序的设计和实现[J].微计算机信息，2007，23(6-2):27-29.

［2］李晓静，蒋云峰，刘开培.液晶显示控制器T6963C与单片机的接口及编程[J].微型机与应用，2004，(12):21-23.

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［4］杨应平，石城，蒋爱湘等.图形点阵液晶显示模块与51系列单片机的接口设计[J].现代显示，2006，(6):41-45.

［5］熊庆国，贺风云.多片8279与单片机及键盘/显示器接口电路设计[J].武汉科技大学学报，2002，25(3):293-294.

［6］胡元胜，周伟.智能显示驱动ZLG7289A的原理及应用[J].液晶与显示，2004，19(4):299-303.

［7］李海真，孙运强，王晨光.键盘显示控制芯片ZLG7289A在仪器仪表中的应用[J].国外电子测量技术，2008，27(2):58-60.

作者简介：朱维杰（1971－），男，广东兴宁人，博士，武警工程学院副教授，主要研究方向为数字信号处理、单片机与嵌入式系统应用等，E-mail：zwjjf@sina.com。

作者：朱维杰