【導(dǎo)讀】現(xiàn)今生活中，各式各樣的生活用品慢慢地走上“智能”的道路，越來(lái)越令人感覺(jué)到方便。這與一個(gè)優(yōu)秀的人機(jī)交流界面密不可分。PS/2鼠標(biāo)、鍵盤(pán)是一種常用的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，只需稍加改動(dòng)，便可很方便的應(yīng)用在各種嵌入式設(shè)備中。利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA芯片，信息，并用VGA接口作為輸出設(shè)備，顯示當(dāng)前鼠標(biāo)狀態(tài)及位置。此方法有容易實(shí)現(xiàn)模塊化和。移植性強(qiáng)的特點(diǎn)。

　　

【正文】 X溢出位 Y符號(hào)位 X符號(hào)位 Always1 中間 鍵 右按鍵 左按鍵 Byte2 X位移增量 Byte3 Y位移增量 Byte4 Always0 Always0 第 4鍵 第 5鍵 Z位移增量 Byte1中的 Bit0、 Bit Bit2分別表示左、右、中鍵的狀態(tài)，狀態(tài)值 0表示釋放 ,1表示按下。 Byte2和 Byte3分別表示 X軸和 Y軸方向的位移計(jì)數(shù)器，是一個(gè) 9位二進(jìn)制的補(bǔ)碼整數(shù)。其中，最高位作為符號(hào)位出現(xiàn)，當(dāng)鼠標(biāo)讀取輸入發(fā)現(xiàn)有位移時(shí)被計(jì)數(shù)器更新。這些值是自從上一次發(fā)送位移數(shù)據(jù)包給主機(jī)后位移的累計(jì)值(即最后一次數(shù)據(jù)包發(fā)給主機(jī)后位移計(jì)數(shù)器被復(fù)位 )。位移計(jì)數(shù)器可表示的值的范圍是 256~+255。如果超過(guò)了范圍，響應(yīng)的溢 出位就被設(shè)置，并且在復(fù)位前計(jì)數(shù)器不會(huì)增減。 Byte4的低四位表示滾輪的位移計(jì)數(shù)器，也是二進(jìn)制的補(bǔ)碼證書(shū)，可表示的值的范圍是 8~+7；而 Byte4中的 D D4表示第 4鍵是否按下。一旦位移數(shù)據(jù)包成功地發(fā)送給主機(jī)，位移計(jì)數(shù)器就會(huì)復(fù)位。同樣鼠標(biāo)在收到主機(jī)不是Resend(0xFE)命令外的其他命令計(jì)數(shù)器也會(huì)復(fù)位。 因此， 這種數(shù)據(jù)包由帶滾輪的三鍵三維鼠標(biāo)產(chǎn)生。若是不帶滾輪的三鍵鼠標(biāo)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包沒(méi)有 Byte4 其余的相同。 18 5 軟件設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì) 通過(guò) FPGA 芯片實(shí)現(xiàn) PS/2 鼠標(biāo)接口協(xié)議的設(shè)計(jì)，并且通過(guò) VGA 顯示器來(lái)輸出當(dāng)前鼠標(biāo)的位置。當(dāng)鼠標(biāo)左鍵按下時(shí)鼠標(biāo)圖像能改變顏色。按 Reset 鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)總復(fù)位。頂層模塊原理圖如圖 14所示。 圖 14 頂層模塊原理圖 圖 15 程序流程 從設(shè)計(jì)流程上 如圖 15所示。 主機(jī)復(fù)位后，首先向鼠標(biāo)發(fā)送初始化命令 (0xF4)。當(dāng)鼠標(biāo)收到命令字后會(huì)給出一個(gè)應(yīng)答字節(jié) (0xFA)。主機(jī)根據(jù)應(yīng)答字節(jié)來(lái)判斷鼠19 標(biāo)是否正確應(yīng)答。應(yīng)答正確則進(jìn)行接收鼠標(biāo)數(shù)據(jù)包，然后從接收到的數(shù)據(jù)包中獲得鼠標(biāo)位置及狀態(tài)數(shù)據(jù)，并輸出給顯示模塊。顯示模塊在 VGA顯示器 上顯示出當(dāng)前鼠標(biāo)的狀態(tài)和位置。否則，停止處理。 PLL 模塊 鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡(jiǎn)稱(chēng)鎖相環(huán)（ PLL,PhaseLocked Loop）。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱(chēng)的由來(lái)。鎖相環(huán)通常由鑒相器（ PD, Phase Detector）、環(huán)路濾波器（ LF, Loop Filter）和壓控振蕩器（ VCO, Voltage Controlled Oscillator）三部分組成 [10]。 實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘電路的輸入到 FPGA芯片，通過(guò) PLL模塊輸出兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào) (50MHz和 100MHz)，原理圖如圖 16所示。 圖 16 PLL原理圖 VGA 模塊 本模塊實(shí)現(xiàn)了 VGA圖像控制器， 原理圖如圖 17所示。 從設(shè)計(jì)流程上，嚴(yán)格按照 VGA行場(chǎng)的時(shí)序進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)到某一時(shí)刻，信號(hào)就置 1或置 0。 背景顯示藍(lán)色，鼠標(biāo)圖案粉紅色，還顯示一個(gè)綠色框 ， 硬件效果如 圖 18所示。由于三原色信號(hào)線只有 0或 1，沒(méi)有 用 DA芯片，只能輸出 8種顏色。其中，在 Modelsim軟件下的仿真波形圖 19所示。 圖 17 VGA模塊原理圖 20 圖 18 VGA硬件效果 圖 19 VGA模塊仿真波形 PS/2 模塊 PS/2 鼠標(biāo)接口模塊 本模塊是 PS/2鼠標(biāo)接口模塊，通過(guò) PS/2協(xié)議與 PS/2鼠標(biāo)通信?？梢越邮?PS/2鼠標(biāo)發(fā)送過(guò)來(lái)的按鍵及位移信息，并轉(zhuǎn)換成并行信號(hào)輸出。原理圖如圖 20所示。 圖 20 鼠標(biāo)接口模塊原理圖 其中，此模塊采用兩個(gè)有限狀態(tài)機(jī)。 M1狀態(tài)機(jī)的功能為同步 PS2時(shí)鐘，在 PS221 的時(shí)鐘邊沿產(chǎn)生邊沿標(biāo) 志。如圖 21所示。 圖 21 M1狀態(tài)機(jī) 圖 22 M2狀態(tài)機(jī) M2狀態(tài)機(jī)的功能為初始化 PS2鼠標(biāo)，接收 PS2鼠標(biāo)數(shù)據(jù)包。如圖 22所示。完成后進(jìn)入 m2_data_high_1狀態(tài)，發(fā)送 d[2]（ d[2]=1）并進(jìn)入 m2_data_low_2狀態(tài)，此時(shí)向鼠標(biāo)發(fā)送 d[3]位（ d[3]=0），完成發(fā)送進(jìn)入 m2_data_high_2狀態(tài)，向鼠標(biāo)發(fā)送 d[4],d[5],d[6],d[7](d[4]=d[5]=d[6]=d[7]=1 ） , 完 成 發(fā) 送 進(jìn) 入m2_data_low_3狀態(tài)，向鼠標(biāo)發(fā)送奇偶校驗(yàn)位，然后進(jìn)入 m2_data_high_3狀態(tài)，22 將數(shù)據(jù)線拉高，等待鼠標(biāo)返回應(yīng)答信號(hào)。 若 PS/2時(shí)鐘信號(hào)下降沿來(lái)臨時(shí)，數(shù)據(jù)線仍未高電平，則進(jìn)入 m2_error_no_ack狀態(tài)，此時(shí)握手失敗，系統(tǒng)將保持m2_error_no_ack狀態(tài)直道下一次復(fù)位。否則進(jìn)入 m2_await_response狀態(tài)接收應(yīng)答字，接收完成進(jìn)入 m2_verify數(shù)據(jù)校驗(yàn)，然后進(jìn)入 m2_use狀態(tài)，鎖存輸出數(shù)據(jù)，并進(jìn)入 m2_wait狀態(tài)，等待接收數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到時(shí)鐘下降沿后進(jìn)入 m2_gather狀態(tài)，進(jìn)行接收鼠標(biāo)數(shù)據(jù)包，接收完成進(jìn)入 m2_verify狀態(tài) ， 這 便形成了數(shù)據(jù)接收循環(huán)。 PS/2 坐標(biāo)位置計(jì)算模塊 該模塊實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)位移的計(jì)算， 當(dāng)有數(shù)據(jù)更新時(shí)，就讀取 鼠標(biāo)的 X， Y軸位移增量， 9位二進(jìn)制補(bǔ)碼，最高位符號(hào)位；輸出鼠標(biāo)的 X， Y軸坐標(biāo) 的累加值 。原理圖如圖 23所示。 通過(guò) QuartusII的仿真軟件，成功實(shí)現(xiàn)這模塊的功能。仿真波形如圖 24所示。 圖 23 鼠標(biāo)坐標(biāo)位置計(jì)算模塊原理圖 圖 24 鼠標(biāo)坐標(biāo)位置計(jì)算的仿真波形 PS/2 鼠標(biāo)按鍵測(cè)試模塊 該模塊的作用是根據(jù) PS/2鼠標(biāo)接口模塊送來(lái)的鼠標(biāo)按鍵信息， 通過(guò) VGA模塊控制顯示器顯示不同的顏 色。從設(shè)計(jì)流程上，讀取鼠標(biāo)的按鍵，經(jīng)過(guò)按鍵消抖程序輸出消抖后的按鍵信息，再處理并輸出不同的按鍵值相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)不同的功能。原理圖如圖 25所示。 23 圖 25 鼠標(biāo)鍵盤(pán)測(cè)試模塊 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效果 在 VGA顯示器 上看到藍(lán)色背景，一個(gè)動(dòng)態(tài)的粉紅色鼠標(biāo)圖案。當(dāng)按下鼠標(biāo)左鍵會(huì)變色；移動(dòng)鼠標(biāo)， VGA顯示器上 鼠標(biāo)圖案也隨之移動(dòng)。 可通過(guò)修改 VGA模塊的參數(shù)，可顯示不同的分辨率與范圍；修改 PS2鼠標(biāo)模塊中的坐標(biāo)位置計(jì)算模塊的參數(shù)，可改變鼠標(biāo)移動(dòng)的最大范圍。 效果圖 26所示。 圖 26 設(shè)計(jì)效果 6 總結(jié) 1. FPGA 作為專(zhuān)用 集成電路 (ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出 現(xiàn)的。它既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù) 有限的缺點(diǎn)。它是完全由用戶通過(guò)軟件進(jìn)行配置和編程，從而完成某種特定的功能，且可以反復(fù)擦寫(xiě)，無(wú)需額外改變 PCB 電路板 ， 只是 在計(jì)算機(jī)上修改和更新程序 ，縮短了系統(tǒng)設(shè)計(jì)周24 期，提高了靈活性，降低了成本。 2. FPGA 適合于觸發(fā)器豐富的結(jié)構(gòu)，集成度高，它的并行運(yùn)行 的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于高速采集與運(yùn)輸 當(dāng)中 。 3. VGA 驅(qū)動(dòng)作為顯示輸出，相比于 LCD12864 等液晶屏，更有視覺(jué)效果，更切近顯卡或顯示器的制造商所支持的最 低標(biāo)準(zhǔn)。 4. PS/2 設(shè)備作為人機(jī)界面的輸入，克服了獨(dú)立、矩陣鍵盤(pán)的 缺點(diǎn)。 5. 模塊化的程序編程，更有利于系統(tǒng)的移植，體現(xiàn)高內(nèi)聚、低耦合。 25 致 謝 非常感謝 王杏進(jìn) 老師在我大學(xué)的最后學(xué)習(xí)階段 —— 畢業(yè)設(shè)計(jì)階段給 我 的指導(dǎo)，從最初的定題，到資料收集，到寫(xiě)作、修改，到論文定稿，她們給了我耐心的指導(dǎo)和無(wú)私的幫助。為了指導(dǎo)我們的畢業(yè)論文，她們放棄了自己的休息時(shí)間，她們的這種無(wú)私奉獻(xiàn)的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向她們表示我誠(chéng)摯的謝意。同時(shí)，感謝所有任課老師和所有同學(xué)在這四年來(lái)給自己的指導(dǎo)和幫助，是他們教會(huì)了我專(zhuān)業(yè)知識(shí)， 教會(huì)了我學(xué)習(xí)什么， 教會(huì)了我如何學(xué)習(xí)，教會(huì)了我如何做人。正是由于 有 他們 的幫助 ，我才能在各方面 逐步逐步地提升自我 ， 了解自己的學(xué)習(xí)方向， 在此向他們表示我由衷的謝意，并祝所有的老師培養(yǎng)出越來(lái)越多的優(yōu)秀人才，培養(yǎng)出報(bào)效祖國(guó)的國(guó)家棟梁 ！ 26 參 考 文 獻(xiàn) [1] 張壓平 , 賀占莊 . 基于 FPGA的 VGA顯示模塊設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展 . 2020， 17(6)：12. [2] 王磊 . 基于 FPGA 的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)： (碩士學(xué)位論文 ). 哈爾濱 : 哈爾濱工程大學(xué) , 2020. [3] 包晗 . FPGA的器件應(yīng)用研究 : (碩士學(xué)位論文 ). 大 連 : 大連海事大學(xué) , 2020. [4] 徐偉業(yè) , 江冰 , 虞湘賓 . CPLD/FPGA 的發(fā)展與應(yīng)用之比較 . 現(xiàn)代電子技術(shù) , 2020, (1): 46. [5] 韓俊剛 . 論 ASIC與 FPGA之爭(zhēng) . 計(jì)算機(jī)工程 , 2020, 30(8): 1012. [6] 小馬哥 . VGA 驅(qū)動(dòng)及實(shí)現(xiàn) 基礎(chǔ)教程 [J]. , 2020. 6. 29. [7] 張文愛(ài) , 張博 , 程永強(qiáng) . 基于 FPGA 的高分辨率 VGA 顯示控制器的設(shè)計(jì) , 現(xiàn)代顯示 , 2020, 9. [8] 陳桂 , 田學(xué)隆 . ARM嵌入式平臺(tái)的 VGA接口設(shè)計(jì) , 單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 , 2020, 5 [9] 王恒心 , 熊慶國(guó) . 基于 FPGA/CPLD 的嵌入式 VGA 顯示系統(tǒng) [J]. 微計(jì)算機(jī)信息 . 2020年 (9): 147148. [10] 周立功 . EDA實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐 [M]. 北京 : 北京航天大學(xué)出版社 , 2020. 232234. [11] PONG P. CHU. FPGA Prototyping By Verilog Examples[M]. WILEY PUBLICATION. 2020, 251252 [12] 百度百科 . PLL[J/0L]. 百度百 科 , [13] 鄒其洪 . EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程 [M]. 北京 : 中國(guó)電力出版社 ,2020. 100106 [14] 吳厚航 . 深入淺出玩轉(zhuǎn) FPGA[M]. 北京 : 北京航空航天大學(xué)出版社 , 2020. 5660 [15] 駿龍科技有限公司 . 使用 Cyclone 器 件 中 的 PLL[J/0L]. 技術(shù)部 , 附錄：