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基于FPGA的触摸屏控制系统(论文和源码).rar

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    编号:20180825164901165    类型:共享资源    大小:15.76MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-25
      
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    基于 FPGA 触摸屏 控制系统 论文 源码
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    某 届毕业生 毕业 论文 题 目 : 基于 FPGA 的触摸屏控制系统设计 学院名称: 电气工程学院 班 级: 自动 化某班 学生姓名: 某某某 学 号: xxxxxxxx 指导教师: 某某某 教师职称: xxx 某 2 年 某 月 25 日某某工业 大学 I 摘 要 随着电子科技水平的快速发展,越来越多的系统开始采用触摸屏进行控制。采用触摸屏设计简单 、性能稳定、便于操作。 本系统采用电阻式触摸屏作为触摸显示装置,电阻式触摸屏 水平和垂直输出 均 为触摸点的电压值,对输出进行 AD转换可以得到该点的水平位置和垂直位置的 坐标。 系统采用 FPGA 作为主控制器, FPGA 并行执行性好,能实现各个模块的同时工作;用 FPGA 设计的是硬件电路,执行速度 特别快,便于信号的及时处理。并且 FPGA 有许多可用的 IP 核供使用者调用 。 系统使用 NIOS 嵌入式处理器,将 NIOS处理器和外围数字电路有机结合,不仅加快了系统响应速度,也减少了开发设计时间。系统调试采用了软件仿真、逻辑分析仪、硬件仿 真、和 TFT 显示等 工具,触摸采集模块进行了去抖、滤波、单次连续触摸判断等措施,使得触摸灵敏度和准确度都得到提高。 系统完成的功能有 TFT 显示字符、显示触摸点坐标、以坐标点为半径画圆、清屏、 LED 控制等各种操作,实现了触摸屏的触摸显示操作。 关键词 : FPGA,触摸屏, NIOS,控制系统 II Title The design of touch screen conctrl system based on FPGA Abstract As the rapid development of Electronic Science and Technology, more and more systems began to use the touch screen to control. Using the touch screen is designed to be simple, stable performance, easy to operate. Our system The system uses a resistive touch screen as a touch display device. Resistive touch screens output it’s horizontal and vertical value as voltage, though converting the output value we can obtain the position in horizontal and vertical. This system use FPGA as the main controller, the FPGA has the nature of parallel process, each module in FPGA can work in the same time. The design with FPGAs is hardware, so the speed of it is very high,and thus give convenient to fast signal process. FPGA can provide a lot of design Ips for customer to use. In this system we use a NIOS processer to control the TFT, we combine the NIOS processor with the digital hardware circuit, this not only accelerate the speed of this system, but also reduce the design time. The system dubug use the tools of software simulation, logic analyser, hardware simulation and TFT display, the touch data acquisition module has the process circuit that carry out debounce, filter, A single or continuous touch judge, which can increase the touch sensitivity and accuracy. The function of this system is use the TFT to display the touch coordinate position, display char, display a circle around the touch coordinate pot, clear the TFT screen and LED control, thus achieve the touch and display operation target. Keywords: FPGA, touch screen, NIOS, control systemIII 目 次 1.概述 ............................................................... 1 1.1 触摸屏及其应用场合 ................................................. 1 1.2 FPGA 及其应用前景 .................................................. 1 2.相关知识 ........................................................... 3 2.1 可编程逻辑器件 .................................................... 3 2.2 CYCLONE Ⅱ系列 FPGA ................................................ 4 2.3 Verilog 语言 ....................................................... 6 2.4 Quartus Ⅱ和 Modelsim 集成开发环境 ................................. 6 2.5 NIOS II 嵌入式处理器 ............................................... 7 2.6 触摸显示屏 ........................................................ 7 3.总体方案 ........................................................... 9 3.1 系统总体设计 ...................................................... 9 3.2 系统功能模块 ...................................................... 9 3.3 器件选择 ......................................................... 10 4.单元电路 .......................................................... 11 4.1 电源电路 ......................................................... 11 4.2 FPGA 最小系统 ..................................................... 11 4.3 配置电路 ......................................................... 12 4.4 SDRAM 电路 ....................................................... 13 4.5 XPT2046 触摸信号采集电路 ......................................... 14 4.6 TFT 显示部分电路 ................................................. 14 5.软件设计 .......................................................... 16 5.1.软件总体设计 ..................................................... 16 5.2 触摸数据采集模块 ................................................. 16 5.3 PLL 锁相环模块 ................................................... 21 5.4 复位模块 ......................................................... 21 IV 5.5 NIOS 处理器模块 .................................................. 22 5.6 NIOS 应用程序设计 ................................................ 23 6 仿真实验结果 ....................................................... 26 总 结 ............................................................... 27 致 谢 ............................................................... 28 参 考 文 献 .......................................................... 29 1 1.概述 1.1 触摸屏及其应用场合 触摸屏以其操作简便、控制方便快捷、稳定性高而被在越来 越多的场合使用。触摸屏能以一种快捷的方式实现 很 复杂的人机交互, 正是由于触摸屏的这个特点, 很多 科研单位都在花费大量时间和金钱投入到触摸屏 技术 应用和新的触摸屏技术的 研制 中。我们所使用的手机和新兴的平板电脑都在越来越多的向触摸屏看齐。苹果公司正在研究新的触摸屏来应用到自己的产品上。就目前触摸屏技术,比较 常用的触摸屏是电阻触摸屏和电容触摸屏, 电阻触摸屏因其制造方便、结构简单,功能多样 而 被大部分设备所采用,电容触摸屏灵敏度高、无需校准、透光性好,正越来越多的使用在手机、电脑和各种触摸屏设备中。随着科技向 多媒体化、 大屏幕化、立体化的发展,触摸屏会越来越多的使用在各个场合。 就目前触摸屏的 应用 来看,在消费领域,它主要应用在如手机、平板电脑、GPS 导航仪、家用电器、游戏机、教学演示机、公共信息查询、点菜系统、点歌系统等中;在商业和工业领域,它广泛的应用在自动取款机、医疗器械、工业流程监控 设备、办公室自动化、工业自动化等场合;军用领域,它主要应用在全球卫 星定位、导弹制导、防空等系统中。而在其他领域,如农业生产自动化、旅游、交通中也有广泛应用 。 1.2 FPGA 及其应用 前景 FPGA 以其高速、控制精准、实时性高而著称,它性能稳定,对时序控制和逻辑实现有良好的性能,由于它的并行处理的特性,它比一般的微处理器更加适合进行数据处理、协议转换等领域,所以它在这个 ARM 和 INTEL 大行其道的今天也能挤出来一席之地。由于 FPGA 价格比较昂贵而且设计流程复杂,在专用数据处理和一般系统中很少用 FPGA, 一般用于需求量小但是性能要求极高的产品或者作为减少处理器负担的协处理器 , 这也 就 制约了 FPGA 在实际中的应用。FPGA 主要应用领域为视频处理 、 ASIC 设计、数据采集、逻辑接口领域、电平接口领域等 就目前科技状况,微处理器的发展越来越受到 工艺水平的制约, CPU 频率的提高使得其功耗大为增加, 而行业一般认定硅技术会在 22nm 达到上限 ,所以2 各大厂商都在寻求更好的架构。 FPGA 作为可重配置的器件,可以被配置为各种器件,从处理器到 ASIC,完成各种复杂的功能,它的硬件开发完成后,可以通过进行各种配置将其变身为各种不同的器件而无需改变 FPGA 相关硬件,当把FPGA 配置成 ASIC,其性能将大大提 高, 效率 和 功耗 能像 ASIC 一样, 这 降低系统功耗 ;同时 FPGA 也可以配置成 通用 处理器, 处理器具有灵活通用,再加上FPGA 内部的各种硬件能很好的完成各种数据处理。 FPGA 能兼顾 ASIC 的稳定性和 CPU 的灵活性,这种 打破传统的 技术被称为可重构技术,所以采用 FPGA作为系统的控制器不仅可以有效减少功耗也减少 由于 系统升级带来的种种问题。3 2.相关知识 2.1 可编程逻辑器件 逻辑器件主要分为两类:一类是固定逻辑,固定逻辑器件内部的电路连接方式是固定的,用户不能通过电路或者程序改变其结构,我们常见的一些数字电路芯片、 ASIC 等都属于此范畴。另一类是可编程逻辑,它的内部电路的连接结构可以被用户通过硬件描述符语言改变从而实现特定需求 [1]。 固定逻辑器件设计周期长、灵活性低、设计复杂、功能单一,但是由于其设计验证阶段工作量比较大,所以其一般稳定性较好、性能高、功耗低,它适用于完成一些特定功能,更多的用在对产品性能要求极高或者市场需求量极大的场合。 可编程逻辑器件设计灵活、周期短、功能多样,它的出现弥补了 ASIC 等开发风险高周期长的特点,用户可以根据产品特点升级产品,但是它的价格昂贵,稳定性没有 ASIC 好,所以它适用于需求量不 高、性能要求较高或者需要经常改变电路结构的场合 [2]。 可编程逻辑器件最早是美国 MMI 公司推出的 PAL 器件,它属于一次性编程器件,随后出现了 GAL 器件,它实现了电可擦除 CMOS 操作,克服了 PAL 的一些不足。现在的可编程器件主要有 CPLD 和 FPGA, CPLD 一般规模较小,掉电能自己保存配置信息,重新上电后不需要重新配置, CPLD 适用于中小规模设计 [3]。 FPGA 逻辑门数量比较大、集成度高,但是它掉电后配置信息随之丢失,所以需要额外的配置芯片, FPGA 适用于大规模特定电路设计。 图 1 为采用乘积项的传统的 CPLD 结构。乘积项结构即一个 “ 与或 ” 结构,与或结构即可编程交叉点导通实现 “ 与 ” 逻辑,后面带一个可编程的固定的 “ 或逻辑 ” ,从而实现了一个组合逻辑 [4]。 4 图 1. CPLD 内部乘积项示意图 FPGA 一般基于查找表结构( LUT),查找表结构的本质是一个 RAM,和一块 4 输入、 16 为输出的存储器比较类似。这个存储器存储了所有可能出现的结果。输出的结果由输入来选择。 表 1 查找表的逻辑电路实现方式对比 查找表实现方式 逻辑电路 数据地址 RAM 内容 a,b,c,d 输入电平 逻辑输出 0000 0 0000 0 0001 0 0001 0 ... 0 .... 0 1111 1 1111 1 2.2 CYCLONE Ⅱ 系列 FPGA Altera 的 CYCLONE Ⅱ 系列产品在市场上属于比较中端的产品,代表性比较强,本文采用它作为 FPGA 描述对象。 5 CYCLONE Ⅱ 采用 90nm 制造工艺,逻辑单元最多有 68416 个,片内存储容量最大到 1.1Mbit,用户可用引脚最多至 622 个,有片内乘法器,并且该系列器件支持 NIOS II 嵌入式软核处理器,嵌入式处理器使得设计更加快捷方便,无需额外的片外控制器。 图 2.EPC20 内部资源分布 图 2 是 CYCLONE Ⅱ 系列中的 EPC20 器件的内部资源分布图,由图可知,EPC20 的内部资源主要包括 M4K 内存存储块、逻辑阵列、乘法器和锁相环 PLL等。其中 M4K 内存存储块作为 FPGA 的内部存储器,主要用途是完成数据暂存,也可以实现用户逻辑功能。逻辑阵列由逻辑单元构成,逻辑单元即完成逻辑的最小单元,一个逻辑阵列通常由 16 个逻辑单元和其他资源构成。一个逻辑单元主要包括一个四输入查找表、一个进位链、一个可配置寄存器和一个寄存器级连链。为了满足大量数据处理的需要, FPGA 内部嵌入了 一定数量的硬件乘法器,这使得 FPGA 在数字信号处理方面更具备优势,数字信号处理如果采用 FPGA 内部的处理单元,会耗费大量的逻辑而且运算速度慢。 FPGA 完成的数据处理一般有离散余弦变换、快速傅里叶变换、滤波等。 CYCLONEⅡ 器件内部的 PLL 可以完成倍频、分频、移相等有关时钟的操作,由于一些外围器件工作频率如 SDRAM需要与 FPGA 有一定的时钟差,使用内部的 PLL 能很好完成这些操作。由上可
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