第5章人机接口设计

人机接口提供了人与嵌入式系统进行信息交互的手段，通过人机接口，人可以给嵌入式系统发送操作指令，嵌入式系统的运行结果也可以通过显示等方式提交给人。人机接口的方式很多，在嵌入式系统中常用的人机接口设备有键盘、LED显示器、OLED显示器等。由于Zynq芯片内部没有集成键盘及显示器等的控制部件，因此，可以利用Zynq芯片内部PS部分的GPIO来扩展键盘或显示器的接口，也可利用FPGA逻辑来扩展键盘或显示器的接口。在利用FPGA来扩展功能时，可以采用成熟的IP核，这样可以提高嵌入式系统的开发效率。若没有成熟的IP核，用户也可以自己设计IP核，为以后开发相同功能的嵌入式系统时使用。本章首先对IP核的相关概念进行介绍，然后介绍键盘、LED显示器等几种人机设备的接口设计。
5.1IP核的概述
IP核(Intellectual Property Core，知识产权核）是指一种基于FPGA逻辑上预先设计好的、并被验证是正确的、能完成某种特定功能的硬件功能模块。IP核实际上就是一种可以重用的硬件功能单元，类似于硬件功能芯片(但不是具体的芯片)。采用IP核可以缩短嵌入式系统的开发周期，提高开发的有效性和安全性。
5.1.1IP核的分类
最早的IP核概念是Arm公司提出的，Arm公司通过出售Arm架构的微处理器核(即一种实现CPU功能的IP核)，使得Arm架构的微处理器迅速在市场上得到推广应用。同时，Xilinx公司或其他第三方IP核公司还提供了许多其他功能的IP核，如实现UART接口功能的IP核、实现AXI协议的IP核、实现FIR滤波器功能的IP核等。
1. 按提供给用户的体现形式分类
IP核按提供给用户的体现形式，可以分成软核、固核、硬核等3种形式。它们实际上也是IP核授权给他人的3种不同的级别，也对应着EDA功能设计的3种不同级别，即行为设计、结构设计、物理设计。
软核(Soft IP Core)是指硬件功能模块的寄存器传输级(RTL)的设计模型，是行为级的设计。即是用硬件描述语言(如Verilog)所设计的硬件逻辑电路，包括对电路的逻辑描述，并可以综合生成网表文件，但不涉及具体的实现芯片。换句话说，软核提供给用户的是电路逻辑设计的源代码文件，其功能经过行为级的仿真验证，但没有完成综合及布线(包括管脚约束)。因此，软核的最大优点是灵活性强、可移植性好、为使用者提供了较大的后续设计空间。其缺点是知识产权的保护不够安全，需要用户重视知识产权保护。
硬核(Hard IP Core)是指硬件功能模块的最终级的设计模型，它不仅完成了RTL级的设计和验证，也完成了综合及布局布线，是以完整验证过的设计版图形式提供给用户。某个硬件功能的IP硬核，其布局和工艺是固定的，用户只能使用IP硬核，而不能对其进行修改，因此，硬核的灵活性差。但由于其不需要提供RTL级源文件，用户不可能知道该硬件功能的具体实现方法，而只能使用其硬件功能，因而更容易实现知识产权的保护。
固核(Firm IP Core)是介于软核和硬核之间的一种IP核的体现形式，是指带有布局规划的软核。即其提供给用户的IP核形式通常是RTL级原程序，以及对应具体网表的混合形式。在用户设计时，采用固核比采用软核的设计灵活性稍差，但其知识产权的保护比软核要强。

2. 按实现的功能分类
按实现的功能分类，IP核可以分成CPU IP核、外设端口IP核、网络通信IP核、算法实现IP核及其他专用功能的IP核等。
CPU IP核实现的是微处理器功能，目前主要有四大系列的CPU IP核，即Arm系列的微处理器核、MIPS系列的微处理器核、x86系列的微处理器核和PowerPC微处理器核。这些微处理器核在不同的应用领域均有不同级别的授权应用，典型的如Zynq芯片内部即集成有Arm的CortexA9微处理器核，它是一种硬核的形式。
外设端口IP核实现的是一些外部设计接口的功能，如SPI接口的IP核、CAN总线接口IP核、UART接口的IP核，利用这些外设接口IP核，用户在设计嵌入式系统时，可以方便地扩展外设接口。
算法实现IP核是需要进行大数据量运算的算法IP核，如DES加密算法IP核、FIR滤波算法IP核、DCT变换IP核等。
其他专用功能的IP核是完成某个专用功能的IP核，如ADC(模数转换)IP核、VGA接口控制IP核、LCD显示驱动IP核等。
5.1.2IP核的标准
在20世纪90年代，由于像Arm公司这样提供可复用硬件电路模块(IP核)公司的出现，使得SoC(System on Chip，片上系统)设计技术得到了推广和普及，也使得用户的嵌入式系统功能可以设计得更加复杂，并且用户在采用第三方成熟的IP核后，可以缩短其嵌入式系统的开发周期。
随着IP核的使用越来越广泛，由第三方公司设计的、作为商品的IP核也越来越多，因此，用户在设计基于SoC的嵌入式系统时，会遇到以下问题。
（1） 如何选择IP核。前面提到，IP核的功能种类很多，即使是同样功能的IP核，也会有多个IP核供应商来提供。因此，IP核的供应商需要提供标准的功能说明文件，以便用户评价IP核的功能是否能满足要求，并且需要一个对性能、质量进行评价的统一体系。
（2） 如何连接各种IP核。由于构建SoC的嵌入式系统时，所选择的IP核可能来自不同的供应商，如何使它们能相互集成在一起，就需要解决IP核接口的标准问题。
（3） 如何对选择的IP核(主要是软核)进行部分修改，使其适应用户需求。用户对所选择的IP核内部结构不一定非常清楚，因此，这也需要IP核的供应商提供标准的功能说明文件。
（4） 如何测试验证IP核。对IP核的功能、性能等进行测试，需要一种标准化的测试标准，才能公平地对不同供应商提供的IP核进行测试及评价。
针对上述IP核使用中的问题，就需要制定IP核的标准，来促进IP核技术的发展及使用，这最终导致了IP核标准的产生及相关国际组织的出现。
1996年，在国际上建立了最早的IP核标准化组织VSIA，它是全方位制定IP核标准的国际联盟，成员包括系统设计公司、半导体生产商、EDA设计公司、IP核设计公司等。其目标是制定SoC工业的技术规范和标准，使得不同厂商的IP核能够集成在一起，完成一个统一的整体功能。在VSIA规范中，IP核又称为虚拟元件VC(Virtual Component)。2003年VSIA组织制定了4类IP核规范及标准，即IP核交付使用文档规范、IP核复用设计标准、IP核质量评估标准、IP核知识产权保护文件。
随着IP核产业的发展，出现了专业性更强的标准化组织，即OCPIP和SPIRIT。OCPIP标准化组织于2001年12月成立，它的目标是建立一套通用的IP核接口标准。SPIRIT组织于2003年6月成立，主要在IP元数据描述标准和EDA工具的API标准方面进行工作，主要成员是IP核设计公司和EDA工具设计公司。例如，IP核设计公司有Arm公司、Philips公司等； EDA设计公司有Cadence公司、Mentor公司等。
总地来说，IP核标准主要注重于IP核复用交付文档、IP核接口标准的实用性、IP核性能的评估手段、IP核的技术保护手段等方面。解决的方案主要有两种： 一种是采用标准总线结构方式，如采用AMBA总线； 另一种是采用标准的接口信号，IP核之间的互联不限制必须采用总线，可以采用点对点的连接。
2002年我国成立了“信息产业部集成电路IP核标准工作组”，简称IPCG。该组织负责制定我国的IP核技术标准。由于国内的集成电路发展水平有限，因此，目前还是在学习和借鉴国外的成熟IP核标准体系，并逐步建立适应我国集成电路设计水平、能与国际标准兼容的我国IP核标准体系。
本书是以Zynq芯片为背景来介绍IP核的设计技术，因此，涉及的IP核标准主要是采用AMBA总线接口标准。
5.2键 盘 接 口
键盘是最常用的人机输入设备，与通用个人计算机(即PC)的键盘不一样，嵌入式系统中的键盘，其所需的按键个数及功能通常是根据具体应用来确定的，不同的应用其键盘中按键个数及功能均可能不一致。因此，在嵌入式系统的键盘接口设计时，通常需要根据应用的具体要求，来设计键盘接口的硬件电路，同时还需要完成识别按键动作、生成按键码和按键具体功能的程序设计。
5.2.1按键的识别方法
嵌入式系统所用键盘中的按键通常是由机械开关组成的，通过机械开关中的簧片是否接触来断开或者接通电路，以便区别键是否处在按下或释放状态。键盘的接口电路有多种形式，可以用专用的芯片来连接机械按键，由专用芯片来识别按键动作并生成按键的键值，然后把键值传输给微处理器； 也可以直接由微处理器芯片的GPIO引脚来连接机械按键，由微处理器本身来识别按键动作，并生成键码。下面主要介绍由微处理器GPIO引脚连接键盘时的按键识别方法，掌握了这种识别方法，对于其他形式的键盘接口方法也就比较容易理解了。
即使采用GPIO引脚直接连接机械按键，通常也会根据应用的要求，其接口电路有所不同。若嵌入式系统所需的键盘中按键个数较少(一般不多于4个)，那么通常会将每一个按键分别连接到一个输入引脚上，如图51所示。微处理器根据对应输入引脚上电平是“0”还是“1”来判断按键是否按下，并完成相应按键的功能。
若键盘中机械按键的个数较多，这时通常会把按键排成阵列形式，每一行和每一列的交叉点上放置一个机械按键。如图52所示，是一个含有16个机械按键的键盘，排列成了4×4的阵列形式。对于由原始机械开关组成的阵列式键盘，其接口程序必须处理3个问题，即去抖动、防串键和产生键码。



图51每个按键连接一根输入引脚





图52用作十六进制字符输入的键盘



① 抖动是机械开关本身的一个最普遍问题。它是指当键按下时，机械开关在外力的作用下，开关簧片的闭合有一个从断开到不稳定接触，最后到可靠接触的过程。即开关在达到稳定闭合前，会反复闭合、断开几次。同样的现象在按键释放时也存在。开关这种抖动的影响若不设法消除，会使系统误认为键盘按下若干次。键的抖动时间一般为10~20ms，去抖动的方法主要采用软件延时或硬件延时电路。
② 串键是指多个键同时按下时产生的问题。解决的方法也是有软件方法和硬件方法两种。软件方法是用软件进行扫描键盘，生成键码是在只有一个键按下时进行。若有多键按下时，采用等待或出错处理。硬件方法则是采用硬件电路确保第一个按下的键或者最后一个释放的键被响应，其他的键即使按下也不会产生键码而被响应。
③ 产生键码是指键盘接口必须把按下的键翻译成有限位二进制代码，以便微处理器识别。在嵌入式系统中，由于对键盘的要求不同，产生键码的方法也有所不同。例如，可以直接把行信号值和列信号值合并在一起来生成键码，也可以采用一些特殊的算法来生成键码。但不管何种方法，产生的键码必须与键盘上的键一一对应。
下面以一个4×4阵列的键盘为例来说明键盘接口的处理方法及其流程。键盘的作用是进行十六进制字符的输入。如图52所示，该键盘排列成4×4阵列，需要两组信号线，一组作为输出信号线(称为行)，另一组作为输入信号线(称为列)，列信号线一般通过电阻与电源正极相连。键盘上每个键的命名由设计者确定。
在图52所示的键盘接口中，键盘的行信号线和列信号线均由微处理器通过GPIO引脚加以控制，微处理器通过输出引脚向行信号线上输出全0信号，然后通过输入引脚读取列信号，若键盘阵列中无任何键按下，则读到的列信号必然是全1信号； 否则就是非全1信号。若是非全1信号时，微处理器再在行信号线上输出“步进的0”，即逐行输出0信号，来判断被按下的键具体在哪一行上，然后产生对应的键码。这种键盘处理方法称为“行扫描法”，具体流程如图53所示。


图53“行扫描法”键盘处理流程



键码的产生方法是多种多样的，但不论哪种方法都必须保证键码与键一一对应。通常情况下，常采用把行信号值和列信号值合并在一起生成键码。例如，若把行信号值和列信号值合并成一字节来做键码(注： 行信号值在字节的高4位，列信号值在字节的低4位)，那么，图52中的按键1，其键码为0xED； 按键A，其键码为0xBB。若要把行信号值和列信号值合并成一个16位的键码(注： 即双字节，行信号值在高字节，列信号值在低字节，并且字节的高4位均置1)，那么，图52中的按键“1”，其键码为0xFEFD； 按键A，其键码为0xFBFB。
除了采用行信号值和列信号值合并在一起生成键码的方法外，还经常采用一些键码产生的算法。下面再给出一种键码的产生算法，它比较适用于16~64键的键盘接口，并且键码采用8位二进制数表示。键码产生的算法步骤如下。
① 根据键盘扫描中所得到的行信号计算出被按下键所在行的行数，以数据最低位对应的键盘行为第一行，以此类推。
② 求行数的补(模为256)，并求出其对应的二进制编码。
③ 将行数的补对应的二进制码左移4位，然后与列码相加，所得到的码即为键码。
例如，在图52所示的键盘接口电路中，键9的键码计算如下。
(1) 键9所在的行是第三行(对应的数据位是O2)，因此其行数是3。
(2) 3的补(模为256)是253，其对应的二进制码为0xFD。
(3) 0xFD左移4位后得0xD0，键9的列码是“00001101B”，即0x0D，把0xD0和0x0D相加后的0xDD即为键9的键码。
采用相同的方法可以求出键盘中其他键的键码，键盘接口程序按照键码产生的算法求出键码后，即可知是哪个键按下，并根据键码转向键对应的功能处理程序。
5.2.2基于PS GPIO的键盘接口
前面已经提到，Zynq芯片内部没有键盘接口控制器，扩展键盘接口可以有两种途径，一种是利用PS部分的GPIO引脚来扩展键盘接口，另一种是利用AXI GPIO IP核先在PL部分扩展出GPIO引脚，然后再利用这些GPIO引脚来扩展键盘接口。本小节先介绍基于PS GPIO的键盘接口设计，下一小节再介绍基于IP核扩展的键盘接口设计。
例51假设要求设计一个阵列为4×4的键盘，通过Zynq芯片内部PS部分的GPIO引脚，来设计键盘行信号和列信号的接口电路，并完成键盘扫描识别及生成键码的程序设计。
具体设计时，若选用Zynq芯片GPIO端口1中的引脚MIO［50］~MIO［53］作为输入，用于连接“键盘列”，引脚MIO［46］~MIO［49］作为输出，用于连接“键盘行”，键码采用8位，是行信号值和列信号值合并而成，且列信号在高4位。那么，具体的键盘扫描及生成键码程序可设计如下：  

/*注： 采用C语言编写，未用到的寄存器位应保持其原有值不变*/

//*******************************************************************

//**函数名： Scankey()，无参数

//**返回值： 键扫描码(高4位是列信号值，低4位是行信号值，键码是两者合并)

//**功  能： 调用一次此函数，可以实现对键盘一次全扫描

//********************************************************************

//**keyoutput 是键盘扫描时的输出地址，keyinput是键盘读入时的地址

//**此处的键盘输出地址和读入地址均对应GPIO端口1的数据寄存器地址

#define  KEYOUTPUT(*(volatile U8 *)0xE000A044)

#define  KEYINPUT	     (*(volatile U8 *)0xE000A044)

//**定义GPIO引脚的功能设置寄存器

#define rMIO_PIN_46		(*(volatile unsigned long *)0xF80007B8)

#define rMIO_PIN_47		(*(volatile unsigned long *)0xF80007BC)

#define rMIO_PIN_48		(*(volatile unsigned long *)0xF80007C0)

#define rMIO_PIN_49		(*(volatile unsigned long *)0xF80007C4)

#define rMIO_PIN_50		(*(volatile unsigned long *)0xF80007C8)

#define rMIO_PIN_51		(*(volatile unsigned long *)0xF80007CC)

#define rMIO_PIN_52		(*(volatile unsigned long *)0xF80007D0)

#define rMIO_PIN_53		(*(volatile unsigned long *)0xF80007D4)

//**定义GPIO引脚的方向设置寄存器和输出使能寄存器

#define rDIRM_1			(*(volatile unsigned long *)0xE000A244)

#define rOEN_1				(*(volatile unsigned long *)0xE000A248)

U8 ScanKey()

{

U8 key=0xFF;

U32 i;

U32 temp=0xFFFFFFFF,output;

//**初始化GPIO引脚的功能

rMIO_PIN_46 = 0x00000600;//设置MIO［46］引脚功能为GPIO，引脚电压3.3V

rMIO_PIN_47 = 0x00000600;       //设置MIO［47］引脚功能为GPIO，引脚电压3.3V

rMIO_PIN_48 = 0x00000600;       //设置MIO［48］引脚功能为GPIO，引脚电压3.3V

rMIO_PIN_49 = 0x00000600;       //设置MIO［49］引脚功能为GPIO，引脚电压3.3V

rMIO_PIN_50 = 0x00000600;       //设置MIO［50］引脚功能为GPIO，引脚电压3.3V

rMIO_PIN_51 = 0x00000600;       //设置MIO［51］引脚功能为GPIO，引脚电压3.3V

rMIO_PIN_52 = 0x00000600;       //设置MIO［52］引脚功能为GPIO，引脚电压3.3V

rMIO_PIN_53 = 0x00000600;       //设置MIO［53］引脚功能为GPIO，引脚电压3.3V



//设置GPIO引脚的方向，MIO［46］~MIO［49］为输出，MIO［50］~MIO［53］为输入

rDIRM_1 = (rDIRM_1 & 0xFFC3FFFF) | 0x0003C000;    

rOEN_1 = rOEN_1 | 0x0003C000;		 //输出使能    

//**循环往键盘(4×4)输出线送低电平，因为输出为4根，所以循环4次**//

for (i=0x4000;(( i<=0x20000) && (i>0)); i>>=1) {

//**将第i根输出引脚置低，其余输出引脚为高，即对键盘按行进行扫描**//

output |= 0xFFFFFFFF;

output & = (~i);

KEYOUTPUT = output;

//**读入此时的键盘输入值**//

temp = KEYINPUT;

//**判断4根输入线上是否有低电平出现，若有则说明有键输入，否则无**//

if ((temp&0x0003C000)!=0x0003C000) {

//**有键按下，将此时的temp右移8位，并和读入的值合并为16位键码**//

temp >>= 14;

key 1=temp;

return(key);

}

}

//*如果无键按F

return 0xFF;

}

上面Scankey()函数仅完成了键盘扫描及键码的生成，但没有考虑键盘的消抖动问题。下面在Scankey()函数的基础上，再封装一层函数，在该函数中进行了延时消抖动处理，从而可以获得稳定的键码。

//********************************************************************

//**函数名： getkey()，无参数

//**返回值： 读取到的稳定键码

//**功  能： 调用scankey()识别按键，然后消抖动，得到可靠键码

//*******************************************************************/

U8 getkey(void)

{

U8key,tempkey;

U8 	    oldkey=0xFF;

U8 		keystatus=0;

U8		keycnt=0;

//**等到有合法的、可靠的键码输入才返回;否则无穷等待**//

while(1) {

//**key设置为0xFF，初始状态为无键码输入**//

key = 0xFF;

//**等待键盘输入，若有输入则退出此循环进行处理；否则等待**//

while(1) {	

//**扫描一次键盘，将读到的键值送入key**//

key = ScanKey() ;

//**判断是否有键输入，如果有则退到外循环进行消抖动处理**//

tempkey = key; 

if ((tempkey&0xFF) != 0xFF)break;

//**若没有键按下，则延迟一段时间后，继续扫描键盘，同时设oldkey=0xFF**//	

mydelay(20,50); //延时函数(延时函数读者可以自行编写)

oldkey=0xFF;

}

//**在判断有键按下后，延迟一段时间，再扫描一次键盘，消抖动**//

mydelay(50,5000); //延时约十几毫秒(延时函数读者可以自行编写)

if (key != ScanKey())

continue;

//**如果连续两次读的键码一样，并不等于oldkey，则可判断有新的键码输入**//

if (oldkey != key)keystatus=0;

//**设定Oldkey为新的键码，并退出循环，返回键码**//

oldkey = key;

break;

}

return key;



获得稳定的键码值后，即可以根据键码值来判断是哪个按键被按下，然后将程序转移到对应按键的处理程序处执行。下面的程序段仅给出了按键处理程序的框架，具体按键功能的程序需要根据具体应用来编写。

//******************************************************************

//**函数名： main()，无参数，无返回值

//**功  能： 主程序，完成读键码，并根据键码调用具体的按键功能程序

//*****************************************************************/

void main(void)

{

U8 key=0;

while(1) {  

mydelay(10,1000);//延时

//**读取键码**//

key = getkey();

//下面根据键码完成具体的按键功能程序

//假设MIO［46］~MIO［49］分别对应第1~4行

//假设MIO［50］~MIO［53］分别对应第1~4列 

switch(key) {

case 0xee: //0xee是一个键码，对应第1行第1列的按键

//根据该键码完成对应按键的具体功能

case 0xed://0xed是一个键码，对应第2行第1列的按键

 		　　//根据该键码完成对应按键的具体功能

……

break;

}      

}   

}



5.2.3基于IP核扩展的键盘接口
利用AXI GPIO IP核，可以在Zynq芯片的PL部分扩展出GPIO端口。所扩展出的GPIO端口，通过芯片内部的AXI互联总线，连接到PS部分的APU(应用处理单元)，这样就与PS部分的嵌入式系统紧密连接在一起，可以由PS部分的CPU编程控制GPIO端口的输入或输出。
一个扩展了AXI GPIO IP核的系统功能框图如图54所示。图中显示利用AXI GPIO IP核扩展的GPIO端口，是一个AXI_GP总线的从端口，它可以被APU通过AXI总线进行访问。



图54扩展了AXI GPIO端口的系统功能框图


在Zynq芯片的开发工具Vivado中，通过添加IP Catalog中的AXI GPIO实例来完成扩展GPIO端口，其设计步骤如下。
（1） 首先创建一个具有AXI互联的嵌入式系统新工程。在创建新工程时，需要配置AXI总线的参数，并配置PS部分的外设接口。
（2） 选择IP Catalog条目，并选中需要的IP核。本处需要选择AXI General Purpose IO的IP核，并配置其相关参数。例如，根据实际需求，配置其数据宽度、输入输出方向、默认的初始输出值、默认的初始输入状态值等。
（3） 完成扩展的GPIO端口与微处理器系统的连接，连接时将自动分配总线地址给GPIO端口，并使端口连接到外部。
（4） 编写新的约束文件或添加新的约束条件到约束文件中。
当完成了扩展的GPIO端口设计后，根据约束文件中的设定，选择作为输出功能的PL引脚连接键盘行信号，选择作为输入功能的PL引脚连接键盘列信号，从而设计出键盘阵列的接口。然后根据分配的端口地址，按照键盘识别及键码生成方法来完成键盘的驱动程序设计。
5.3LED显示接口
LED显示器是嵌入式系统中常用的输出设备，特别是7段(或8段)LED显示器作为一种简单、经济的显示形式，在显示信息量不大的应用场合得到广泛应用。随着LED显示技术的发展，彩色点阵式LED显示技术越来越成熟，也已经得到许多应用，特别是在户外广告屏等领域中被广泛使用。
5.3.1LED显示控制原理
在嵌入式系统中，LED显示器的形式主要有3种，即单个LED显示器、7段(或8段)LED显示器、点阵式LED显示器。

1. 单个LED显示控制原理
单个LED显示器实际上就是一个发光二极管，它的亮与灭代表着一个二进制数，因此，凡是能用一位二进制数代表的物理含义，如信号的有无、电源的通断、信号幅值是否超过其阈值等，均可以用单个LED显示器的亮与灭来表示。


图55单个LED显示器控制原理


微处理器通过GPIO接口引脚中的某一位引脚来控制LED的亮与灭，如图55所示。图中引脚D0通过反相驱动器(也可以采用同相驱动器)控制一个单个LED显示器，D0为“1”(高电平)时，单个LED显示器亮，代表一种状态； D0为“0”(低电平)时，单个LED显示器灭，代表另一种状态。
2. 7段(或8段)LED显示控制原理
7段(或8段)LED显示器是由7个(或8个)发光二极管按一定的位置排列成“日”字形(对于8段LED显示器来说还有一个小数点段)，为了适应不同的驱动电路，采用了共阴极和共阳极两种结构，如图56所示。


图567段(或8段)LED显示器外形原理


用7段(或8段)LED显示器可以显示0~9的数字和多种字符(并可带小数点)，为了使7段(或8段)LED显示器显示数字或字符，就必须点亮相应的段。例如，要显示数字0，则要使b、c、d、e、f、g等6段亮。显示器的每个段分别由GPIO引脚进行控制，通常引脚的D0~D7(即数据位的低位~高位)顺序控制a~dp段，所需的控制信号称为段码。由于数字与段码之间没有规律性，因此必须进行数字与段码之间的转换才能驱动要显示的段，以便显示数字的字形。常用的转换方法是将所要显示字形的段码列成一个表，称为段码表。显示时，根据字符查段码表，取出其对应的段码送到GPIO引脚上来控制显示。
值得注意的是，若采用的显示器其驱动结构不同，那么即使显示相同的字符，其段码也是不一样的。例如,若采用共阴极7段LED显示器，段信号采用同相驱动，则0的段码是0x7E； 若采用共阴极7段LED显示器，段信号采用反相驱动，则0的段码是0x81。
在实际应用中，一般需要多位数据同时显示，这样就需要用多个7段(或8段)LED来组成一个完整的显示器。图57是一个由6位8段LED组成的显示器接口电路，电路中采用了同相驱动、扫描显示方式。


图576位8段LED显示器


扫描显示方式是根据人眼的视觉惰性，在多位7段(或8段)LED组成的显示器中，所有位的段信号均连接在一起，由段控制逻辑控制，而该位能不能显示则由位控制逻辑中对应的位信号控制。位控制逻辑实际上是一扫描电路，它依次使N位7段(或8段)LED显示器中的一位显示，其余位处于不显示状态。只要扫描的速度适当，人眼看到的是N位LED同时显示的状况。
例如，若要在图57所示的显示器中显示“12.08.18”字样，其典型的做法如下。
① 在数据存储区中选择6个存储单元作为显示缓冲区，存储单元地址从低到高依次对应显示器中从左至右的8段LED，所需显示字符的段码存入对应的单元中。即显示缓冲区中地址从低到高分别存有0x30、0x6D、0x7E、0x7F、0x30、0x7F。
② 显示时，从低地址到高地址依次把显示缓冲区的内容通过段控制逻辑输出，同时位控制逻辑输出的位控制信号依次是0x3E、0x3D、0x3B、0x37、0x2F、0x1F。
③ 循环进行上述动作，只要循环间隔适当，人眼在显示器上看到的是稳定的显示，而不会有跳动的感觉。
④ 若要改变显示器上显示的内容，只需改变存储在显示缓冲区中的段码即可。
在设计7段(或8段)LED显示器接口电路时，还可以用专用的8段显示器控制芯片(如ZLG7289AS芯片)，这些芯片可以完成数字到段码的转换，并能控制扫描，因而不需要微处理器执行扫描程序控制显示，从而提高了微处理器的效率。

3. 点阵式LED显示控制原理
点阵式LED显示器的基本显示单元一般是8行×8列的LED模块，如图58所示。通过若干块8行×8列的LED模块，可以拼成更大的LED显示阵列。例如，若要设计一个分辨率为800×600的点阵式LED显示器，那么需要在行上选用100个8行×8列的LED模块，在列上选用75个8行×8列的LED模块。即需要选用100×75个8行×8列的LED模块，从而组成800×600分辨率的LED显示阵列。


图58点阵式LED外形及内部连接


点阵式LED显示器能显示各种字符、汉字及图形、图像，并具有色彩。点阵式LED显示器中，每个LED表示一个像素，通过每个LED的亮与灭来构造出所需的图形，各种字符及汉字也是通过图形方式来显示的。对于单色点阵式LED来说，每个像素需要一位二进制数表示，“1”表示亮，“0”表示灭。对于彩色点阵式LED，则每个像素需要更多的二进制位表示，通常用1字节或3字节。
点阵式LED显示器的显示控制也采用扫描方式。在数据存储器中需开辟若干存储单元作为显示缓冲区，缓冲区中存有所需显示图形的控制信息。显示时依次通过列信号驱动器输出一行所有列的信号，然后再驱动对应的行信号，控制该行显示。只要扫描速度适当，显示的图形就不会出现闪烁。
5.3.2基于PS GPIO的LED接口
在开发基于Zynq芯片的嵌入式系统时，可以利用PS部分的GPIO引脚来扩展LED接口。下面以8段的LED显示器接口设计为例，来说明基于Zynq芯片的嵌入式系统LED显示器接口设计方法。
例52假设需要设计一个由6个8段的LED组成的显示器，采用了ZLG7289AS芯片控制，并用Zynq芯片的GPIO端口来与其连接。ZLG7289AS芯片是一个具有串行输入、8位段信号并行输出，可同时驱动8个共阴LED的专用显示器控制芯片。该芯片能支持译码显示模式和非译码显示模式。译码显示模式指的是微处理器输出给ZLG7289AS芯片显示字符的对应值，由芯片ZLG7289AS译码产生显示需要的段信号； 而非译码显示模式指的是微处理器直接输出给ZLG7289AS芯片显示字符对应的段码信号。因此，采用非译码显示模式时，设计者需要自行求出显示字符对应的段码。有关ZLG7289AS芯片的详细命令可参考其技术手册。
下面的程序代码是基于ZLG7289AS芯片来控制LED显示器程序的。显示器是共阴极LED，其段的排列顺序如图56(b)所示，采用了非译码显示模式控制。

/*注:采用C语言编写，未用到的寄存器位应保持其原有值不变*/

//**定义GPIO引脚的功能设置寄存器

#define rMIO_PIN_48(*(volatile unsigned long *)0xF80007C0)

#define rMIO_PIN_49		(*(volatile unsigned long *)0xF80007C4)

#define rMIO_PIN_50		(*(volatile unsigned long *)0xF80007C8)

//**定义GPIO引脚的方向设置寄存器和输出使能寄存器

#define rDIRM_1			(*(volatile unsigned long *)0xE000A244)

#define rOEN_1				(*(volatile unsigned long *)0xE000A248)

//**定义GPIO端口1的数据寄存器(输出)

#define rDATA_1	  		 	(*(volatile U8 *)0xE000A044)

//**定义了一些宏，包括cs_disable、cs_enable、setdata_1、setdata_0、setclock_1、setclock_0

//**假设选用MIO［48］~MIO［50］来控制ZLG7289AS芯片

//**它们对应了ZLG7289AS芯片的片选信号以及数据、时钟信号等，具体参见其技术手册

#define cs_enable  {rDATA_1 = rDATA_1 | 0x10000;}//MIO［48］置1，即片选置1

#define cs_disable  {rDATA_1 = rDATA_1 & 0xFEFFFF;} //MIO［48］置0，即片选置0

#define setdata_1   {rDATA_1 = rDATA_1 | 0x20000;}  //MIO［49］置1

#define setdata_0   {rDATA_1 = rDATA_1 & 0xFDFFFF;} //MIO［49］置0

#define setclock_1   {rDATA_1 = rDATA_1 | 0x40000;}  //MIO［50］置1

#define setclock_0   {rDATA_1 = rDATA_1 & 0xFBFFFF;} //MIO［50］置0

//**下面数组用来映射LED模块非译码时，显示字符0~9和其段码的对应关系

char mapda［10］={0x7e,0x30,0x6d,0x79,0x33,0x5b,0x5f,0x70,0x7f,0x7b};

//*********************************************************************

//**函数名： main()，功能是： 用ZLG7289AS控制的LED显示，无参数，无返回值

//********************************************************************/

void main(void)

{

int i,lednum=6;

U8 boardtype;

ledinit();//**调函数，初始化GPIO端口和ZLG7289AS

//**发送命令字，清除所有显示

sendledcmd(0xa4);

mydelay(10,1000);　　//延时函数

i=0;

//**发送测试命令字，使所有段和点闪烁

sendledcmd(0xbf);

mydelay(10,1000);

sendledcmd(0xa4);	 

for(;;){

//在相应位置的LED上显示0~9字符

sendleddata(i%lednum , mapda［i%10］);

mydelay(1000,1000);

i++;

if(i==40) i=0;

sendledcmd(0xa4);

}

}

在主函数main()中，调用了函数ledinit()来初始化8段LED接口。即需要把MIO［48］~MIO［50］初始化为GPIO输出功能，并对ZLG7289AS芯片的控制引脚信号进行初始化。

//*********************************************************************

//**函数名： ledinit()，无参数，无返回值

//**功  能： 初始化GPIO端口以及ZLG7289AS芯片

//********************************************************************/

void ledinit(void){

//**将MIO［48］~MIO［50］设置为GPIO输出工作方式，同时设定不需要上拉电阻

rMIO_PIN_48 = 0x00000600;   //设置MIO［48］引脚功能为GPIO，引脚电压3.3V

rMIO_PIN_49 = 0x00000600;   //设置MIO［49］引脚功能为GPIO，引脚电压3.3V

rMIO_PIN_50 = 0x00000600;   //设置MIO［50］引脚功能为GPIO，引脚电压3.3V

//设置GPIO引脚的方向，MIO［48］~MIO［50］为输出

rDIRM_1 = rDIRM_1 | 0x00070000;    

rOEN_1 = rOEN_1 | 0x00070000;		 //输出使能

//**使片选信号不使能(即失效)，且设定数据和时钟线均为高，初始化LED

cs_disable;

setdata_1;

setclock_1;

mydelay(10,1000);	　　//调延时函数，延时

 }


ZLG7289AS芯片是可以独立控制LED显示的，但需要微处理器给其发送相关的命令，其命令格式有单字节和双字节之分。下面两个函数分别是发送单字节的命令和发送双字节的命令。

//*********************************************************************

//**函数名： sendledcmd()，功能是： 传送单字节命令到ZLG7289AS，无返回值

//**参  数： ZLG7289AS命令字，参考ZLG7289AS资料

//********************************************************************/

void sendledcmd(char context) {

int count;

//**将时钟线和数据线均设置为低

setclock_0;

mydelay(20,10);	　　//延时

setdata_0; 

mydelay(20,10);	　　//延时  

//**使能片选

cs_enable;

mydelay(35,10);	　　//延时

//**传送8比特，由高位到低位      

for (count=0x80;count>0;count>>=1) {       

//**如果此位为1，则数据线送1；否则送0    

if(context &count) { 

setdata_1;

}

else {

setdata_0;

}

mydelay(3,10);	　　//延时

//**时钟翻转为高，等待ZLG7289AS取数据

setclock_1;

mydelay(3,10);	　　//延时 

//**时钟翻转为低，ZLG7289AS取数据结束

setclock_0; 

mydelay(3,10);	　　//延时      

}

//**一字节传送完毕后，使片选不使能(即失效)

cs_disable;

mydelay(3,10);		　　//延时

}


//*********************************************************************

//**函数名： sendleddata()，功能是传送双字节命令到ZLG7289AS，无返回值

//**参  数： LED显示位置序号，ZLG7289AS命令字。参考ZLG7289AS资料

//********************************************************************/

void sendleddata(char i,char context)

{

char a［2］;

int count,k;

//**将时钟线和数据线均设置为低

setclock_0;  

mydelay(3,100); 	　　//延时

setdata_0;  

a［0］=0x90+i;                                 

a［1］=context;

mydelay(3,10);		　　//延时  

cs_enable;

mydelay(3,10); 		　　//延时

for (k=0;k<2;k++){                       

for (count=0x80;count>0;count>>=1) {

//发送一字节  

if(a［k］ &count) { 

setdata_1;

}

else {

setdata_0;

}

mydelay(3,10);	　　//延时

setclock_1;            //设置时钟信号为高  

mydelay(3,10);         //延时   

setclock_0;            //设置时钟信号为低

mydelay(4,10);      　　//延时

}

mydelay(3,10);			　　//延时

}

cs_disable ;		　　//使片选信号不使能

mydelay(3,10);		　　//延时

}

除了利用PS部分的GPIO来扩展LED显示接口外，也可以利用AXI GPIO IP核，在Zynq芯片的PL部分扩展出GPIO端口。然后利用扩展的GPIO端口来设计LED接口，其设计方法与5.2.3小节介绍的类似，在此就不再介绍。

5.4OLED显示接口
用OLED（Organic LightEmitting Diode，有机发光二极管）材料做成的显示器，具有自发光(即不需要背光源)、视角广、对比度高、低功耗等特点，已经广泛地应用于高端嵌入式系统中作为其显示设备，如应用于手机、数码相机、PDA等产品中。
5.4.1OLED工作原理简介
OLED的发光原理是通过把一个有机发光材料组成的发光层，嵌入两个电极之间，然后通过在两个电极端加上电源，使电流通过有机发光材料而使其发光。通常在构建OLED时，还会在电极和发光层之间各加上一层传输层，以便提高发光效率。一个典型的OLED结构如图59所示。




图59一个典型的OLED结构



图59所示的OLED结构中，阴极是一种金属薄膜，阳极是一种导电玻璃(其材料是锢/铟/锡氧化物，简称ITO)。在阴极和有机发光材料层之间有一层电子传输层，而在阳极和有机发光材料层之间有一层空穴传输层。

1. OLED显示原理
如图59所示，当直流电源(电压值为2~10V)接通时，在阴极(金属薄膜)上将产生电子，而在阳极(ITO)上产生空穴。在电场的作用下，电子通过电子传输层而到达发光层(由有机发光材料组成)，同时空穴通过空穴传输层也到达发光层，由于电子带负电，空穴带正电，因此，它们在发光层相互吸引，从而激发有机材料发光。由于阳极(ITO)是透明的，因此可以在阳极端看见光。
OLED的发光亮度与发光层通过的电流有关，电流越大，亮度越大； 电流越小，亮度越小。因此，通过控制电流的大小，就可以控制OLED的发光亮度。而光的颜色与发光层的发光材料有关，通过材料的不同配比，可以产生红(R)、绿(G)、蓝(B)3种基本颜色。利用R、G、B像素独立发光或混合发光，可以构造彩色的OLED显示器。在生产彩色OLED显示器的方法上，还有一种生产工艺，即可以采用白光OLED和彩色滤光片相结合的方式，通过在发白光的OLED上覆盖红、绿、蓝三基色的滤光片，从而实现红、绿、蓝及其他混合色彩的显示。
要实现n×m分辨率的彩色OLED显示器，就需要有n列m行的OLED像素阵列来组成，即一行上有n个像素、一列上有m个像素，每个像素中又包括R、G、B三基色，其组成示意图如图510所示。



图510n×m分辨率的彩色OLED像素阵列


当需要在OLED显示器上显示文字、图像等信息时，就需要驱动相关的OLED被点亮。与普通点阵式LED显示驱动类似，也需要列驱动和行驱动电路，并且行驱动是扫描方式，即一次只点亮一行上的相关OLED。

2. OLED驱动控制
OLED的驱动方式分为被动驱动(Passive Matrix OLED，PMOLED)和主动驱动(Active Matrix OLED，AMOLED)两种方式，被动驱动方式又可称为无源驱动方式，主动驱动又可称为有源驱动方式。这两种OLED驱动方式的内部结构如图511所示。


图511OLED两种驱动方式内部结构


被动驱动方式如图511(a)所示，是在阳极和阴极之间设置一个OLED作为一个像素。若要让这个像素点亮，在阴极上接低电平、阳极上接高电平即可。在一个n×m分辨率的OLED显示器中，即有n×m个这样排列的OLED像素。要在这种驱动方式下显示一幅n×m分辨率的图像，通常采用在m个阳极上加扫描信号，即在m个阳极上逐次加正脉冲信号，在n个阴极上加图像数据信号(需要点亮的像素数据为0，不亮的像素数据为1)，只要阳极上的扫描信号足够快，人眼就能看到一幅完整的图像。
被动驱动方式由于是无源的，因此，其结构简单，制造成本低； 但其驱动电流高，反应速度相对较低。被动驱动方式只适合于单色或多色且尺寸相对较小的OLED显示器。
主动驱动方式如图511(b)所示，是一种有源的驱动方式，它采用至少两个薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)来控制一个OLED像素的驱动，并在OLED像素的控制端接有一个电容。也就是OLED的像素是否被点亮，是采用了具有开/关功能的TFT来控制，每个像素可以独立地连续发光，即图像数据信号(需要点亮的像素数据为1，不亮的像素数据为0)在扫描信号的高电平期间，可以驱动TFT2的开或关，从而使得OLED像素点亮或者关灭； 在扫描信号的低电平期间，还可以由电容来保持TFT2所需要的控制电压，因此也能保持像素的状态。此处的扫描信号是一个固定周期的脉冲信号。
主动驱动方式由于在OLED像素的控制端接有电容，在两次扫描信号脉冲之间可以保持充电状态，因而可以更快速、更精确地控制OLED像素发光。并且其驱动电压低，组件寿命更长，适合做大尺寸的OLED显示器。但其制作工艺相对复杂，因而成本较高。
目前在市场上，OLED显示屏有单色、多色、全彩色等几种。单色和多色显示屏多采用被动驱动方式，全彩色显示屏多采用主动驱动方式。在嵌入式系统设计中，通常都选用OLED显示模组，即由OLED显示屏和驱动芯片组合在一起的模块。市场上有许多可供选择的OLED显示模组产品，如单色或多色的有UG2832HSWEG04 OLED模组(分辨率为128×32，驱动芯片为SSD1306)、DYS864 OLED模组(分辨率为128×64，驱动芯片为SH1106)等。
OLED显示模组与微处理器的接口主要是驱动芯片与微处理器的连接，它们之间的命令及数据传输通常可采用SPI、I2C等，因此，在嵌入式系统设计时，OLED显示模组的接口电路并不复杂，而复杂的是结合驱动芯片的特性，来完成相关的OLED驱动程序编写。
5.4.2基于PS GPIO的OLED接口
在开发基于Zynq芯片的嵌入式系统中，可以利用PS部分的GPIO引脚来扩展OLED显示接口； 也可以自己设计一个OLED的驱动控制IP核，利用PL部分的引脚来扩展OLED显示接口。下面以PS GPIO的OLED显示接口设计为例来说明其接口设计的方法。
例53假设需要设计一个OLED显示器接口，选用了UG2832HSWEG04 OLED模组，该模组的驱动控制芯片为SSD1306，它与微处理器的连接为SPI接口，主要的信号线有以下几个。
① SCLK信号线，是SPI的时钟信号。
② SDIN信号线，是SPI的串行数据线，即MOSI信号线。
③ DC信号线，它是UG2832HSWEG04 OLED模组的命令/数据指示信号线，该信号线为高电平时，指示读写的是数据； 该信号线为低电平时，指示读写的是命令。
除了信号线外，UG2832HSWEG04 OLED模组还需要一个复位信号(RST)和逻辑电源UDD，以及升压电源UBAT(DC/DC转换)。
在硬件电路设计时，若选用Zynq芯片GPIO的相关引脚，来与UG2832HSWEG04 OLED模组相关引脚连接，如图512所示。其中，用MIO［4］和MIO［5］引脚分别与SDIN和SCLK信号相连，并且选用MIO［7］引脚来控制DC信号，MIO［6］引脚来控制RST信号。


图512Zynq芯片与UG2832HSWEG04 OLED模组的连接



设计好OLED显示接口电路后，就需要编写相关的驱动程序。下面给出的OLED驱动程序示例，主要包括初始化Zynq芯片引脚功能函数、初始化OLED模组、写OLED模组命令函数、写OLED模组数据函数以及一个主函数的框架。

/*注： 采用C语言编写，未用到的寄存器位应保持其原有值不变*/

/*********************************************************************

功能： Zynq芯片引脚功能初始化函数，完成MIO引脚功能设置，初始化其工作模式

*********************************************************************/

//**定义GPIO引脚的功能设置寄存器

#define rMIO_PIN_7(*(volatile unsigned long *)0xF800071C)

#define rMIO_PIN_6			(*(volatile unsigned long *)0xF8000718)

#define rMIO_PIN_4			(*(volatile unsigned long *)0xF8000710)

#define rMIO_PIN_5			(*(volatile unsigned long *)0xF8000714)

//**定义GPIO引脚的方向设置寄存器和输出使能寄存器

#define rDIRM_0			(*(volatile unsigned long *)0xE000A204)

#define rOEN_0				(*(volatile unsigned long *)0xE000A208)

//**定义GPIO端口0的数据寄存器(输出)

#define rDATA_0			(*(volatile unsigned long *)0xE000A040)

//**定义了一些宏，包括setDC_1、setDC_0、setRST_1、setRST_0

//**以及setSDIN_1、setSDIN_0、setSCLK_1、setSCLK_0

#define setDC_1{rDATA_0 = rDATA_0 | 0x00000080;}//MIO［7］置1，即DC信号置1

#define setDC_0    {rDATA_0 = rDATA_0 & 0xFFFFFF7F;} //MIO［7］置0，即DC信号置0

#define setRST_1   {rDATA_0 = rDATA_0 | 0x00000040;}  //MIO［6］置1，即RST信号置1

#define setRST_0   {rDATA_0 = rDATA_0 & 0xFFFFFFBF;} //MIO［6］置0，即RST信号置0

#define setSDIN_1   {rDATA_0 = rDATA_0 | 0x00000010;}  //MIO［4］置1，即DC信号置1

#define setSDIN_0   {rDATA_0 = rDATA_0 & 0xFFFFFFEF;} //MIO［4］置0，即DC信号置0

#define setSCLK_1  {rDATA_0 = rDATA_0 | 0x00000020;}  //MIO［5］置1，即RST信号置1

#define setSCLK_0  {rDATA_0 = rDATA_0 & 0xFFFFFFDF;} //MIO［5］置0，即RST信号置0



void Zynq_Init(void)

{

rMIO_PIN_7 = 0x00000600;//设置MIO［7］引脚功能GPIO，引脚电压3.3V

rMIO_PIN_6 = 0x00000600;         //设置MIO［6］引脚功能GPIO，引脚电压3.3V

rMIO_PIN_4 = 0x00000600;         //设置MIO［7］引脚功能GPIO，引脚电压3.3V

rMIO_PIN_5 = 0x00000600;         //设置MIO［6］引脚功能GPIO，引脚电压3.3V

//设置GPIO引脚的方向，MIO［4］~MIO［7］为输出

rDIRM_0 = rDIRM_0 | 0x000000F0;    

rOEN_0 = rOEN_0 | 0x000000F0;	    //输出使能

 }


/*注： 采用C语言编写*/

/*********************************************************************

功能： 初始化OLED模组函数，模组芯片为SSD1306，初始化其工作模式

*********************************************************************/

void SSD1306_Init(void)

{

//**先对SSD1306芯片进行复位设置

setRST_0;		　　//RST引脚置0

//**此处需插入一段时间的延时(约10ms)，延时函数可自行编写

setRST_1;		　　//RST引脚置1



//**下面按要求写入相关命令，以便初始化OLED模组，命令含义参见SSD1306手册

OLED_cmd_send (0xA8);

OLED_cmd_send (0x3F);

OLED_cmd_send (0xD3);

OLED_cmd_send (0x00);

OLED_cmd_send (0x40);

OLED_cmd_send (0xA0);

OLED_cmd_send (0xC8);

OLED_cmd_send (0xDA);

OLED_cmd_send (0x02);

OLED_cmd_send (0x81);

OLED_cmd_send (0x7F);

OLED_cmd_send (0xA4);

OLED_cmd_send (0xA6);

OLED_cmd_send (0xD5);

OLED_cmd_send (0x80);

OLED_cmd_send (0x8D);

OLED_cmd_send (0x14);

OLED_cmd_send (0xAF);

}

/*注:采用C语言编写*/

/*********************************************************************

功能： 写OLED模组命令函数，模组芯片为SSD1306

*********************************************************************/

void OLED_cmd_send(U8 OLED_CMD)

{

U8 i;				　　//定义变量i

setDC_0;			　　//**先对SSD1306芯片的DC信号置0： 写命令

//下面进行循环，把一字节的命令发送到OLED模组

for ( i=0; i<8; i++ )

{

setSCLK_0;	　　//设置SCLK信号为0

if (OLED_CMD & 0x80 ==1)　　//判断命令字节的相应位是否为1

setSDIN_1;　　//SDIN信号置1

else

setSDIN_0;　　//SDIN信号置0

//**若此处需要，可插入延时函数，延时时间根据实际确定，大约几微秒

setSCLK_1;	　　//设置SCLK信号为1

OLED_CMD <<= 1;　　//左移一位

}

}

/*注： 采用C语言编写*/

/*********************************************************************

功能： 写OLED模组数据函数，模组芯片为SSD1306

*********************************************************************/

void OLED_data_send(U8 OLED_DATA)

{

U8 i;				　　//定义变量i

setDC_1;			　　//**先对SSD1306芯片的DC信号置0： 写数据

//下面进行循环，把一字节的数据发送到OLED模组

for ( i=0; i<8; i++ )

{

setSCLK_0;	　　//设置SCLK信号为0

if (OLED_DATA & 0x80 ==1)　　//判断数据字节的相应位是否为1

setSDIN_1;　　//SDIN信号置1

else

setSDIN_0;　　//SDIN信号置0

//**若此处需要，可插入延时函数，延时时间根据实际确定，大约几微秒

setSCLK_1;	　　//设置SCLK信号为1

OLED_DATA <<= 1;　　//左移一位

}

}


/*注： 采用C语言编写*/

/*********************************************************************

功能： 主函数main的一个框架。假设显示图像数据已存入显示缓冲区

*********************************************************************/

void main(void)

{

U8	OLED_ARR［128］ ［4］;	　　//显示缓冲数组

U8	i, j;

Zynq_Init();	　　//**初始化Zynq芯片的GPIO引脚功能

SSD1306_Init();	　　//**初始化OLED模组

//**下面应根据需要显示的内容，来控制OLED模组的显示

//**具体实现时，可根据OLED的分辨率来定义一个显示缓冲数组，如此处128×32

//**然后，根据需要显示的图像，更新显示缓冲数据，再刷新OLED显示

……

for( i=0; i<4; i++){

OLED_cmd_send(0xb0+i);	　　//设置页地址

OLED_cmd_send(0x00);	　　//设置显示位置

for (j=0; j<128; j++)OLED_data_send(OLED_ARR［j］ ［i］);　　//发送显示数据

}

}

本 章 小 结
人机接口是人与嵌入式系统进行信息交互的通道。常用的人机接口设备有键盘、LED显示器、LCD显示器以及触摸屏、鼠标、打印机等。本章主要介绍了键盘、LED显示器、OLED显示器等人机接口设备的工作原理及其接口驱动程序。
键盘是最常用的人机输入设备。嵌入式系统中，键盘通常都采用非编码式键盘，设计者除了要完成键盘接口硬件电路的设计外，还需要完成键盘的扫描、键码的生成等接口软件设计。键盘接口程序中的键码生成方法有许多，但无论采用哪种方法，均必须保证键码与键的一一对应关系。
显示器是最常用的人机输出设备。嵌入式系统中常用的显示器主要有LED显示器和OLED显示器。它们各有优、缺点，适用于不同的场合。本章详细介绍了它们的接口电路及接口软件。
习题5
1. 选择题


(1) 下面语句中错误的是()。

A. 人机接口是人与嵌入式系统进行信息交互的接口，该接口仅指键盘和显示器的接口
B. Zynq芯片内部没有集成键盘及显示器接口的控制部件
C. 可以利用Zynq芯片内部PS部分的GPIO来扩展键盘或显示器的接口
D. 可以利用FPGA逻辑及成熟的IP核来扩展键盘或显示器的接口
(2) 下面有关IP核的描述语句中，错误的是()。
A. IP核是指一种基于FPGA逻辑上预先正确设计好的，能完成特定功能的硬件模块
B. 采用IP核的优点是可以缩短硬件的开发周期，提高开发的有效性和安全性
C. IP核必须由Xilinx公司或者其他第三方公司提供
D. IP核按提供给用户的体现形式，可分成软核、固核、硬核等3种形式
(3) Zynq芯片内部即集成许多IP核，如CortexA9微处理器核、UART接口的IP核、CAN总线接口IP核等。其中，CortexA9微处理器核是一种()的形式。
A. 软核B. 硬核C. 固核D. 算法IP核
(4) 若一个键盘接口的键码由8位二进制数组成，且其键码生成的算法采用行数的补左移4位加列码，那么第3行第2列上的按键键码是()。
A. 0x32B. 0x23C. 0xDDD. 0xDB

(5) 若一个4×4键盘的接口电路中，采用Zynq芯片GPIO端口1中引脚MIO［46］~MIO［49］来控制键盘阵列的行信号，MIO［50］~MIO［53］控制键盘阵列的列信号，那么在键盘驱动程序中需要初始化GPIO端口1的相关寄存器。下面是初始化引脚MIO［46］~MIO［53］方向的语句，正确的是()。 
A. rDIRM_1 = (rDIRM_1 & 0xFFC3FFFF) | 0x0003C000
B. rDIRM_1 = (rDIRM_1 & 0x0003C000) | 0xFFC3FFFF
C. rDIRM_1 = (rDIRM_1 & 0xFF3CFFFF) | 0x000C3000
D. rDIRM_1 = (rDIRM_1 & 0x000C3000) | 0xFF3CFFFF
(6) 若一个6×6键盘的接口电路中，采用键盘逐行扫描，然后读取列信号判断是否为全“1”的方法来识别是否有键按下。键盘接口程序中，应该用语句()来正确地控制逐行扫描的次数。(注： 变量i的值求反后作为行扫描信号输出)         
A. for (i=1； ((i<=16)&&(i>0))； i<<=1{…}
B. for (i=1； ((i<=32)&&(i>0))； i<<=1{…}
C. for (i=1； ((i<=64)&&(i>0))； i<<=1{…}
D. for (i=1； ((i<=128)&&(i>0))； i<<=1{…}
(7) 若某嵌入式系统中采用7段共阴极LED来构成其显示器，微处理器通过同相驱动电路输出段信号来驱动LED，下面的段码中()不可能是数字字符的显示段码。
A. 0x01B. 0x30C. 0x7ED. 0x70
(8) 点阵式LED显示器接口电路的设计中，下面有关其设计要点的说明语句中不正确的是()。
A. 一个大型LED显示屏通常是由若干8×8点阵的LED模块拼接而成
B. 点阵式LED显示屏分成行和列分别进行控制
C. 点阵式LED显示屏的列信号通常需要锁存
D. 点阵式LED显示屏中的所有行必须保证同时被选中控制
(9) 下面有关OLED显示器的描述语句中，错误的是()。
A. OLED是有机发光二极管组成的显示器，其字符或图形的显示需要背光源
B. OLED的发光亮度，与发光层通过的电流有关，电流越大，亮度越大
C. 实现n×m分辨率的OLED显示器，需要有n列m行的OLED像素阵列来组成
D. OLED的驱动方式分为被动驱动和主动驱动两种方式
(10) 若选用了UG2832HSWEG04 OLED模组作为以Zynq芯片为核心的嵌入式系统OLED显示器，在硬件设计时，下面的做法错误的是()。

A. 选用Zynq芯片PS部分的MIO引脚并设置成GPIO功能来控制该模组
B. 选用Zynq芯片PL部分的引脚并设计驱动控制IP核来控制该模组
C. 选用Zynq芯片PS部分的MIO引脚并设置成SPI功能来控制该模组
D. 选用Zynq芯片PS部分的MIO引脚并设置成UART功能来控制该模组

2. 填空题
(1) 键盘接口中，产生键码的算法有许多种，但无论采用何种算法来生成键码，都必须保证一一对应。
(2) 若键码采用16位二进制数组成，其键码生成算法为： 行扫描信号左移8位再加上读入的列信号。那么，第3行第2列上的按键,其键码是。
(3) 用多个8段的LED组成的显示器接口电路中，若每个LED段信号线均连接在一起，微处理器分时输出每位LED段信号来控制显示，但人们看到的是所有LED同时在显示，这是依据了原理。
（4） 点阵式LED显示器中，每个LED表示，通过每个LED的亮与灭来构造出所需的图形，各种字符及汉字也是通过图形方式来显示的。


图513LED外形排列



（5） 图513是一个共阴极的7段LED外形，其内部LED管的排列顺序如图所示，通常硬件设计时用数据线D0~D6顺序连接a~g段，若采用同相驱动时，数字2的显示段码应该是。
（6） OLED的驱动方式分为被动驱动和主动驱动两种方式，被动驱动方式又可称为方式，主动驱动(AMOLED)又可称为方式。