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摘要：本文利用FPGA能够实现并行处理数据的优势，设计了MCU+FPGA架构的多数量OLED显示屏按键矩阵处理电路，并选用了自带存储功能的OLED显示屏按键，实现了OLED显示屏按键矩阵处理电路的低时延刷新显示设计，通过分析比较传统设计方案与本方案在时延方面的优劣势，给出了两种方案在时延方面的分析结果。结果表明，通过MCU+FPGA架构的多数量OLED显示屏按键矩阵处理电路在画面刷新显示时延方面有着明显的提高。

关键词：FPGA，OLED显示屏按键，低时延

1 项目背景

随着电气化、数字化、智能化的普及，传统的机械式按键已无法满足当前的使用需求，在实现以往开关功能的同时，还需自定义按键，对按键刻字或画面进行实时灵活变更，以达到不同的使用场景功能，而OLED按键的出现，能够很好的解决此问题，但随着OLED按键使用的数量越来越多，给处理电路带来了负担，带来了OLED按键画面刷新速度慢、实时性差等问题。

针对上述多数量OLED按键矩阵处理电路带来的实时性差的问题，本文根据实际使用需求，增强人机交互体验，设计了基于FPGA的OLED按键矩阵低时延刷新显示处理电路，并针对OLED按键进行了选型，以进一步提高OLED按键画面刷新的时效性，有效降低时延。

2 功能概述

本项目采用5×5 OLED显示屏按键矩阵布局（如图1），OLED按键矩阵处理电路板用于采集25个OLED显示屏按键的开关信息，通过RS422串口与外部设备交互传递按键信息；同时可通过SPI总线接口控制25个OLED显示画面同步变化及亮度调节。

3 方案设计

3.1 OLED显示屏按键选型

本项目选用HOLB/HLCD（系列）显示屏按键，HOLB/HLCD系列显示屏按键是应用于航空、航天、船舶、装甲车辆等领域的微型显示控制模块。其具有良好的环境适应性，能够在严苛的环境下正常工作。产品集成显示和控制功能，能够根据客户需要灵活应用，产品可选内置存储或不带存储，本项目选用带内置存储的HOLB-5YT-9MAP OLED显示屏按键，其特点如下：

a）尺寸小巧，外形尺寸仅为 24.7mm×21.7mm×25mm；

b）画面清晰，显示屏分辨率为 180RGB×120（像素）；

c）色彩丰富，显示屏颜色为 24-bit；

d）按键按压回馈手感良好，有明确的通断感；

e）IP56 防水等级；

f）SPI 总线通信；

g）内置 GB2312 字库；

h）高可靠性点触式开关；

i）重量不大于20g；

j）MTBF 值高达30万小时。

OLED显示屏按键功能如下：

a）1路点触式按键开关；

b）高饱和度真彩画面显示；

c）可通过SPI总线实现256级亮度调节；

d）内部多达16MB存储空间，可存储256幅图片；

e）可通过SPI总线控制画面切换；

f）可通过SPI总线在线更新内部存储图片。

3.2设计方案权衡

3.2.1传统典型应用电路

传统典型应用电路如图3所示，采用MCU自带SPI接口对OLED显示屏按键进行操作，当存在多个OLED显示屏按键时，MCU由于SPI接口有限，只能通过OLED显示屏按键的片选信号轮流进行串行操作，故将会导致OLED显示屏按键画面刷新实时性差的问题。

此方式是将SPI总线进行串联的方式进行连接，每个OLED按键会有一个片选信号，低有效如果需要刷新总线上某个OLED按键时，需要拉低这个信号，操作完成后变成高电平，由于MCU处理器同一时刻只能完成，一个任务的特点，OLED按键在完成刷新显示内容时，还需要按键采集，这就造成了多个OLED按键矩阵时，更新显示内容时所需要时间需要更长时间，25个OLED按键画面刷新时间计算如下：

a）SPI的速率为50M/14=3.571Mbps；

b）按键前端滤波器的滤波宽度（按键防抖）：T_filter =2.0ms；

c）向OLED写数据帧或读数据帧的时间：T_cmd=17.96us；

d）OLED SPI总线读写操作之间的间隔：T_gap=2.5ms；（要求≮2ms，如图4）

e）table页面切换完成时间：time=T_filter +（4×T_cmd + 4×T_gap）≈7ms；

f）key切换完成时间：time=（2×T_cmd + 2×T_gap）≈ 5ms；

g）刷新完成时间：time=T_filter +（4×T_cmd + 3×T_gap）+（2×T_cmd + 2×T_gap）=14.5ms；table页面切换时间和key的切换时间，存在一个T_gap时间的重叠，因为table切换等待最后一个T_gap的时候，key的切换已经启动。

OLED画面刷新完成时间为14.5ms，从单个按键按下到显示内容更新，单个按键时间为14.5ms，本项目共有25个OLED按键，共计需要362.5ms，而人眼反应时间大约24ms，这个刷新时间显然太长，效率太低，在实际使用中人机交互体验非常不好。

3.2.2本项目改进后应用电路

改进后应用电路如图8所示，在MCU和OLED显示屏按键之间增加FPGA，利用FPGA可以并行处理数据的优势，可同时对多个OLED显示屏按键进行SPI读写操作，从而解决传统电路处理多个OLED显示屏按键画面刷新实时性差的问题，本项目改进后刷新时间理论上是改进前的1/25，可大大缩减时延，增强人机交互体验。

此方式是将SPI总线进行单独与OLED按键连接，每个OLED按键也会有一个片选信号，低有效如果需要刷新总线上某个OLED按键时，需要拉低这个信号，操作完成后变成高电平，由于FPGA处理器为并行运算同一时刻可完成多个任务的特点，可实现对25个OLED按键同时进行SPI读写操作，故其操作OLED画面刷新时间是14.5ms，是传统方式画面刷新时间（改进前）的1/25，对于FPGA来说更新一个按键与多个按键是没区别的，此方法大大改善时延问题。

3.2.3结论

通过以上计算分析，针对此项目，选择MCU+FPGA方式有助于改善时延问题，增强人机交互体验。

注：对于使用场景只用到3个及以下OLED显示屏按键的产品建议采用单MCU方式，可以降低电路复杂度和成本。

3.3设计与实现

3.3.1产品组成

本产品组成主要包括OLED显示屏按键、OLED按键矩阵处理电路板（含OLED载板）、框架等组成部分，组成示意图如图9所示，包括：

a）框架；

b）OLED显示屏按键；

c）OLED按键矩阵处理电路板。

3.3.2工作原理

OLED按键矩阵处理电路板采用MCU+FPGA架构，FPGA通过25路SPI接口与OLED显示屏按键进行读写操作，实现OLED画面刷新，并采集25个OLED显示屏按键开关信息，通过UART串口发送至MCU，MCU通过协议打包将数据通过RS422串口发送至系统，同时，MCU可接收外部RS422接口控制指令，通过FPGA控制OLED按键的画面状态。

原理框图如图10所示。

3.3.3 MCU处理单元

MCU在本项目中主要实现串口通信功能。

如图11所示，MCU采用 ARM Cortex-M4 32位处理器核心，在200MHz频率下工作，Flash访问零等待状态以获得最大效率。它提供高达3072KB 的片上闪存和512KB 的 SRAM 存储器。扩展范围的增强 I/O 和外围设备连接到两个APB总线。这些设备提供多达三个12位2.6Mbps ADC、两个12位 DAC、多达八个通用16位定时器、两个16位 PWM 高级控制定时器、两个32位通用定时器和两个16位基本定时器，以及标准和高级通信接口：多达六个 SPI、三个 I2C、四个USART 和四个UART、两个I2S、两个CAN等接口实现原理。

3.3.4 FPGA处理单元

FPGA在本项目中主要实现对OLED按键显示切换，按键采集，串口通信。

在实际使用中需要多个OLED按键通过SPI通信同时切换画面，最大需要25路SPI通信接口，本课题选用安路科技的 ELF2 系列器件，其具有低成本、低功耗等特点。ELF2 器件已用于大批量产品中，选用的EF2L45BG256B器件主要参数如下：

a）55nm 低功耗工艺，最大用户 IO 数量达 207；

b）无需外部配置器件，支持快速上电启动；

c）最大支持 35 Kbits 分布存储器，最大支持 700Kbits 嵌入块存储器；

d）可配置支持以下单端标准 LVTTL，LVCMOS（3.3/2.5/1.8/1.5/1.2V）配置上拉/下拉模式；

e）LUTs 4480 DFFs 4480 Dis-RAM 35（Kbs）；

f）Flash 4M。

3.3.5 RS422电平转换电路

MCU引出通信串口用于与外部设备通信，该串口为TTL电平在外部需加入电平转换芯片型号为TD541S485S-FT隔离芯片。

TD（H）541S485S-FT 是为 RS-485 总线网络设计的一款隔离型全双工增强型收发器，且完全符合 TIA/EIA-485A 标准。逻辑侧支持 3.3V 和 5V 逻辑电平的转换，总线接收器采用 1/8 单元负载设计，其总线负载能力高达 256 个节点单元，满足多节点设计设计需求。总线传输速率高达 20Mbps。TD（H）541S485S-FT 更在传统 IC 基础上重点加强 A、B、Z、Y 引脚可靠性设计，其中包括驱动器过流保护，增强型 ESD 设计等，其 A、B、Z、Y端口 ESD 承受能力高达 15KV（Human Body Model）。

3.3.6 FPGA逻辑软件设计

FPGA逻辑软件由4个模块组成，包括SPI模块、TTL串口模块、按键采集模块、按键防抖处理模块，如图14所示。SPI模块负责实现与OLED显示屏按键SPI总线读写操作，刷新OLED显示画面，TTL串口模块完成发送按键状态值，同时接收MCU串口信息进行OLED显示屏按键亮度调节，按键查询功能，按键采集模块完成采集功能，按键防抖处理模块实现按键防抖滤波功能。

4 结束语

本文通过分析比较传统多数量OLED显示屏按键单MCU处理电路设计方法与MCU+FPGA设计方法在画面刷新时延方面的差异，给出了两种方法在时延方面的分析结果。结果表明，通过MCU+FPGA架构的多数量OLED按键矩阵处理电路在画面刷新显示时延方面有着明显的提高，而且采用的OLED显示屏按键越多，画面刷新显示时延效果更加明显，但对于使用场景只用到3个及以下的OLED显示屏按键的产品建议采用单MCU方式，可以降低电路复杂度和成本。