寫在前面的話
在使用按鍵的時候，如果按鍵不多的話，我們可以直接讓按鍵與FPGA相連接，但是如果按鍵比較多的時候，如果還繼續使用直接讓按鍵與FPGA相連接的話，會大量增加FPGA端口的消耗，為了減少FPGA端口的消耗，我們可以把按鍵設計成矩陣的形式。接下來，夢翼師兄將和大家一起學習掃描鍵盤的電路原理以及驅動方式。
項目需求
設計4*4矩陣鍵盤按鍵掃描模塊，正確解析按鍵值。
矩陣鍵盤的原理
由上圖可以知道，矩陣鍵盤的行row（行）與col（列）的交點，都是通過一個按鍵相連接。傳統的一個按鍵一個端口的方法，若要實現16個按鍵，則需要16個端口，而現在這個矩陣鍵盤的設計，16個按鍵，僅僅需要8個端口，如果使用16個端口來做矩陣鍵盤的話，可以識別64個按鍵，端口的利用率遠遠比傳統的設計高好多，所以如果需要的按鍵少的話，可以選擇傳統的按鍵設計，如果需要的按鍵比較多的話，可以采用這種矩陣鍵盤的設計。而我們現在就以掃描法為例來介紹矩陣鍵盤的工作原理。
首先col（列）是FPGA給矩陣鍵盤輸出的掃描信號，而row（行）是矩陣鍵盤反饋給FPGA的輸入信號，用於檢測哪一個按鍵被按下，示意圖如下：
如上圖所示，FPGA給出掃描信號COL[3:0]，COL = 4’b0111，等下一個時鍾周期COL = 4’b1011，再等下一個時鍾周期COL = 4’b1101，再等下一個時鍾周期COL = 4’b1110，再等下一個時鍾周期COL = 4’b0111，COL就是這樣不斷循環，給矩陣鍵盤一個低電平有效的掃描信號，當FPGA給矩陣鍵盤COL掃描信號的同時，FPGA也要在檢測矩陣鍵盤給FPGA的的反饋信號ROW，舉個例子，假若矩陣鍵盤中的9號按鍵被按下了：
當COL = 4’b0111，ROW = 4’b1111；
當COL = 4’b1011，ROW = 4’b1111；
當COL = 4’b1101，ROW = 4’b1011；
當COL = 4’b1110，ROW = 4’b1111；
有人問，為什么當COL = 4’b1101的時候，ROW = 4’b1011呢？我們現在就以矩陣鍵盤的電路來分析一下這個原因，如上圖所示：
當9號按鍵被按下的時候，9號按鍵的電路就會被導通，掃描電路COL開始掃描，當掃描到COL[1]的時候，由於9號按鍵的電路被導通了，COL[1]的電壓等於ROW[2]的電壓，所以會出現當COL = 4’b1101的時候ROW = 4’b1011（掃描信號的頻率大概1K左右）。
通常的按鍵所用開關為機械彈性開關，當機械觸點斷開、閉合時，由於機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上穩定地接通，在斷開時也不會一下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，為了不產生這種現象而作的措施就是按鍵消抖。
抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為5ms~10ms。這是一個很重要的時間參數，在很多場合都要用到。按鍵穩定閉合時間的長短則是由操作人員的按鍵動作決定的，一般為零點幾秒至數秒（按鍵按下的時間一般都會大於20ms）。鍵抖動會引起一次按鍵被誤讀多次。為確保CPU對按鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去除按鍵抖動。在按鍵閉合穩定時讀取按鍵的電平狀態，並且必須判別到按鍵釋放穩定后再作處理。
然后我們就可以利用這些現象，來設計一個識別按鍵的電路。
架構設計
根據原理分析，我們設計出架構圖如下：
模塊功能介紹
| 模塊名 |
功能描述 |
| key_scan |
檢測按鍵值 |
頂層模塊端口描述
| 端口名 |
端口說明 |
| clk |
系統時鍾輸入 |
| rst_n |
系統復位 |
| row |
矩陣鍵盤的行線 |
| data |
按鍵值 |
| flag |
按鍵值有效（尖峰脈沖） |
| col |
矩陣鍵盤的列線 |
代碼解釋
Key_scan模塊代碼
| /**************************************************** * Engineer : 夢翼師兄 * QQ : 761664056 * The module function： 檢測出鍵盤矩陣的按鍵值 *****************************************************/ 000 module key_scan ( 001 clk, //系統時鍾輸入 002 rst_n, //系統復位 003 row,//矩陣鍵盤的行線 004 flag,//輸出值有效標志（尖峰脈沖） 005 data,//按鍵值 006 col//矩陣鍵盤的列線 007 ); 008 //系統輸入 009 input clk;//系統時鍾輸入 010 input rst_n;//系統復位 011 input [3:0] row;//矩陣鍵盤的行線 012 //系統輸出 013 output reg flag;//輸出值有效標志（尖峰脈沖） 014 output reg [3:0] data;//按鍵值 015 output reg [3:0] col;//矩陣鍵盤的列線 016 017 reg clk_1K;//1K的時鍾 018 reg [20:0] count;//計數器 019 020 always @ (posedge clk or negedge rst_n) 021 begin 022 if (!rst_n) 023 begin 024 clk_1K <= 1; 025 count <= 0; 026 end 027 else 028 if (count < 24999) // 50000分頻，得出1K的時鍾 029 count <= count + 1; 030 else 031 begin 032 count <= 0; 033 clk_1K <= ~clk_1K; 034 end 035 end 036 037 reg [4:0] cnt_time;//按鍵按下的時間 038 reg [1:0] state;//狀態寄存器 039 reg [7:0] row_col;//按鍵對應的行列值 040 041 always @ (posedge clk_1K or negedge rst_n) 042 begin 043 if (!rst_n)//復位時，將中間寄存器和輸出置0 044 begin 045 flag <= 0; 046 state <= 0; 047 cnt_time <= 0; 048 row_col <= 0; 049 col <= 4'b0000; 050 end 051 else 052 begin 053 case (state) 054 0 : begin 055 if (row != 4'b1111)//當有按鍵按下時，開始計數，只有 056 begin //一直按下20ms才會被當做有效的按鍵 057 if (cnt_time < 19) 058 cnt_time <= cnt_time + 1; 059 else 060 begin 061 cnt_time <= 0; 062 state <= 1; 063 col <= 4'b1110;//掃描的初始值 064 end 065 end 066 else 067 cnt_time <= 0; 068 end 069 070 1 : begin 071 if (row!=4'b1111) 072 begin 073 row_col <= {row,col};//當檢測出來時，把行列線的值存起來 074 flag <= 1; //拉高有效標志 075 state <= 2; 076 col <= 4'b0000;//用於判斷按鍵是否抬起來 077 end 078 else 079 begin 080 col <= {col[2:0],col[3]};//沒有檢測出來時，換成下一列 081 end //掃描 082 end 083 084 2 : begin 085 if (row == 4'b1111)//當按鍵釋放20ms以后才會被當做釋放 086 begin //跳轉到0狀態進行新的按鍵值的檢測 087 if (cnt_time < 19) 088 begin 089 cnt_time <= cnt_time + 1; 090 flag <= 0; 091 end 092 else 093 begin 094 cnt_time <= 0; 095 state <= 0; 096 col <= 4'b0000; 097 end 098 end 099 else 100 begin 101 cnt_time <= 0; 102 flag <= 0; 103 end 104 end 105 106 default : state <= 0; 107 endcase 108 end 109 end 110 111 always @ (*) 112 begin 113 if(!rst_n) 114 begin 115 data =0; 116 end 117 else 118 begin 119 case(row_col) 120 8'b1110_1110: data =0; 121 8'b1110_1101: data =1; //每一個按鍵的位置被行線和列線唯一確定 122 8'b1110_1011: data =2; //根據行線和列線的值給出對應的按鍵值 123 8'b1110_0111: data =3; 124 8'b1101_1110: data =4; 125 8'b1101_1101: data =5; 126 8'b1101_1011: data =6; 127 8'b1101_0111: data =7; 128 8'b1011_1110: data =8; 129 8'b1011_1101: data =9; 130 8'b1011_1011: data =10; 131 8'b1011_0111: data =11; 132 8'b0111_1110: data =12; 133 8'b0111_1101: data =13; 134 8'b0111_1011: data =14; 135 8'b0111_0111: data =15; 136 default : data = 0; 137 endcase 138 end 139 end 140 141 endmodule |
測試代碼
| /**************************************************** * Engineer : 夢翼師兄 * QQ : 761664056 * The module function：矩陣鍵盤測試代碼 *****************************************************/ 000 `timescale 1ns/1ps 001 002 module key_scan_tb; 003 //系統輸入 004 reg clk;//系統時鍾輸入 005 reg rst_n;//系統復位 006 reg [3:0] row;//矩陣鍵盤的行線 007 //系統輸出 008 wire flag;//輸出值有效標志（尖峰脈沖） 009 wire [3:0] data;//按鍵值 010 wire [3:0] col;//矩陣鍵盤的列線 011 012 initial 013 begin 014 clk=0; 015 rst_n=0; 016 # 1000.1 rst_n=1; 017 end 018 019 always #10 clk=~clk;//50M的時鍾 020 021 reg [4:0] pnumber;//按鍵值 022 023 initial 024 begin 025 pnumber=16;//無按鍵按下 026 # 6000000 pnumber=1; 027 # 3000000 pnumber=16; 028 # 6000000 pnumber=1; 029 # 3000000 pnumber=16; 030 # 6000000 pnumber=1;//模仿了一段抖動 031 # 3000000 pnumber=16; 032 # 6000000 pnumber=1; 033 # 3000000 pnumber=16; 034 # 6000000 pnumber=1; 035 # 21000000 036 pnumber=1;//按鍵“1”按下了21ms 037 # 3000000 pnumber=16; 038 # 6000000 pnumber=1; 039 # 3000000 pnumber=16; 040 # 6000000 pnumber=1;//模仿釋放時的抖動 041 # 3000000 pnumber=16; 042 # 6000000 pnumber=1; 043 # 3000000 pnumber=16; 044 # 6000000 pnumber=1; 045 # 3000000 pnumber=16; 046 # 60000000 047 pnumber=2; 048 # 3000000 pnumber=16; 049 # 6000000 pnumber=2; 050 # 3000000 pnumber=16; 051 # 6000000 pnumber=2; 052 # 3000000 pnumber=16;//按下時的抖動 053 # 6000000 pnumber=2; 054 # 21000000 055 pnumber=2;//按下21ms 056 # 3000000 pnumber=16; 057 # 6000000 pnumber=2; 058 # 3000000 pnumber=16; 059 # 6000000 pnumber=2; 060 # 3000000 pnumber=16;//釋放時的抖動 061 # 6000000 pnumber=2; 062 # 3000000 pnumber=16; 063 # 6000000 pnumber=2; 064 # 3000000 pnumber=16; 065 end 066 067 //當有按鍵按下時，行線和列線的變化 068 always @(*) 069 case (pnumber) 070 0: row = {1'b1,1'b1,1'b1,col[0]}; 071 1: row = {1'b1,1'b1,1'b1,col[1]}; 072 2: row = {1'b1,1'b1,1'b1,col[2]}; 073 3: row = {1'b1,1'b1,1'b1,col[3]}; 074 4: row = {1'b1,1'b1,col[0],1'b1}; 075 5: row = {1'b1,1'b1,col[1],1'b1}; 076 6: row = {1'b1,1'b1,col[2],1'b1}; 077 7: row = {1'b1,1'b1,col[3],1'b1}; 078 8: row = {1'b1,col[0],1'b1,1'b1}; 079 9: row = {1'b1,col[1],1'b1,1'b1}; 080 10: row = {1'b1,col[2],1'b1,1'b1}; 081 11: row = {1'b1,col[3],1'b1,1'b1}; 082 12: row = {col[0],1'b1,1'b1,1'b1}; 083 13: row = {col[1],1'b1,1'b1,1'b1}; 084 14: row = {col[2],1'b1,1'b1,1'b1}; 085 15: row = {col[3],1'b1,1'b1,1'b1}; 086 16: row = 4'b1111; 087 default: row = 4'b1111; 088 endcase 089 090 //實例化key_scan模塊 091 key_scan key_scan ( 092 .clk(clk), //系統時鍾輸入 093 .rst_n(rst_n), //系統復位 094 .row(row),//矩陣鍵盤的行線 095 .flag(flag),//輸出值有效標志（尖峰脈沖） 096 .data(data),//按鍵值 097 .col(col)//矩陣鍵盤的列線 098 ); 099 100 endmodule |
在測試模塊的中的68行至88行，描述了矩陣鍵盤的響應方式。假如：“5”被按下，“5”處在row[1]和col[1]的位置，只有當col[1]為低電平時，row[1]才能檢測到低電平，並且row=4’b1101唯一確定了按鍵的位置。
在測試中，模擬了數字“1”以及數字“2”按下以及釋放時的抖動。
仿真分析
從波形中，我們可以看出：按鍵穩定前，pnumber有一段抖動，穩定之后，data變成了按鍵值，釋放時pnumber又有一段抖動，兩段抖動data都沒有發生改變。