摘要： 為改變采用CPU 控制矩陣鍵盤導(dǎo)致CPU 資源利用下降及引腳不足的現(xiàn)狀，介紹了一種基于FPGA 的矩陣鍵盤控制器的開發(fā)。在ISE13.4 開發(fā)環(huán)境下，采用VHDL 硬件語(yǔ)言開發(fā)了一種能有效防止機(jī)械式矩陣鍵盤按鍵抖動(dòng)帶來的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤; 實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤的自動(dòng)掃描、編碼、存儲(chǔ)、輸出等功能; 并將輸入的數(shù)據(jù)依次在8 個(gè)7 段數(shù)碼管上進(jìn)行顯示的矩陣鍵盤控制器。將所設(shè)計(jì)的VHDL 控制器配置到開發(fā)的硬件電路系統(tǒng)上，驗(yàn)證了各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)的正確性。

在便攜式電子設(shè)備中有著廣泛應(yīng)用的矩陣鍵盤，一般利用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行掃描控制，大大降低了單片機(jī)處理其它信息的能力，造成資源的浪費(fèi)。利用FPGA 強(qiáng)大的邏輯處理能力及豐富的引腳，本文設(shè)計(jì)了基于FPGA 的矩陣鍵盤控制器，主要包括矩陣鍵盤抗抖動(dòng)模塊、掃描模塊、譯碼模塊、存儲(chǔ)模塊以及數(shù)碼管顯示模塊，同時(shí)將矩陣鍵盤輸入的數(shù)據(jù)通過7 段數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

1 矩陣鍵盤控制器及顯示電路設(shè)計(jì)思路

為完成便攜式設(shè)備的人機(jī)交互，利用4 × 4 矩陣鍵盤設(shè)計(jì)了基于FPGA 的矩陣鍵盤控制器及顯示電路，如圖1 所示。系統(tǒng)主要由FPGA、矩陣鍵盤、138 譯碼芯片以及數(shù)碼管等組成，主要完成一個(gè)8 位數(shù)的輸入，對(duì)所輸入的8 位數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)供后續(xù)使用，利用數(shù)碼管的顯示功能來確認(rèn)所輸入的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，降低輸入誤差。

由圖1 可看出，本系統(tǒng)軟件部分主要實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤行列掃描控制、輸入抗抖動(dòng)、按鍵譯碼、按鍵存儲(chǔ)以及數(shù)碼管顯示等功能。

( 1) 矩陣鍵盤行列掃描控制模塊: 產(chǎn)生周期性的掃描信號(hào)，根據(jù)掃描輸入信號(hào)進(jìn)行判斷是否有按鍵被按下，若有按鍵被按下則立刻進(jìn)行按鍵判斷和編碼，并將按鍵存儲(chǔ)到內(nèi)部寄存器。

( 2) 彈跳消除電路: 機(jī)械開關(guān)結(jié)構(gòu)的矩陣鍵盤，按鍵被按下時(shí)，接觸點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)來回彈跳的信號(hào)。信號(hào)彈跳時(shí)間內(nèi)程序無法有效的判斷按鍵值，從而影響到輸入的正確性，降低設(shè)備的性能。

( 3) 按鍵譯碼電路: 掃描回復(fù)信號(hào)( 按鍵輸入給FPGA 的信號(hào)) 在FPGA 內(nèi)部無法直接作為后續(xù)使用信號(hào)，必須定義中間信號(hào)，用以區(qū)分不同按鍵的功能，對(duì)按鍵進(jìn)行譯碼。

( 4) 按鍵存儲(chǔ)電路: 前一次按鍵的輸入數(shù)據(jù)將被下一次掃描產(chǎn)生的新按鍵數(shù)據(jù)覆蓋，因此需要一個(gè)移位寄存器來保存整個(gè)按鍵的輸入。

( 5) 數(shù)碼管顯示電路: 為完成8 位數(shù)據(jù)的輸入顯示，需要對(duì)每個(gè)數(shù)碼管進(jìn)行掃描控制，并根據(jù)按鍵值對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行譯碼顯示。

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2 矩陣鍵盤控制器及顯示的VHDL 設(shè)計(jì)

2． 1 矩陣鍵盤防抖設(shè)計(jì)

矩陣鍵盤抗抖動(dòng)電路主要有計(jì)數(shù)器、移位寄存器、D 型觸發(fā)器延時(shí)和采樣型防抖微分電路四種方
法［2］。本文采用的去抖方法是: 將鍵盤輸入信號(hào)作為電路輸入信號(hào)，在時(shí)鐘信號(hào)作用下，輸入信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)D 觸發(fā)器延時(shí)后再使用RS 觸發(fā)器進(jìn)行處理。抖動(dòng)消除電路所使用的脈沖信號(hào)頻率必須比其它電路使用的脈沖信號(hào)頻率更高，通常將掃描電路的工作頻率定在24Hz 左右，而將彈跳電路的工作頻率定在128Hz 左右［3］。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思想，采用VHDL 硬件語(yǔ)言編寫了鍵盤抗抖動(dòng)模塊，抗抖動(dòng)模塊經(jīng)綜合后其RTL 電路圖如圖2 所示。

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2． 2 時(shí)鐘電路電路

時(shí)鐘電路主要產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的時(shí)鐘信號(hào)，由FPGA 時(shí)鐘分頻得到系統(tǒng)工作時(shí)鐘，然后采用計(jì)數(shù)器分頻方法得到所需要的彈跳消除時(shí)鐘信號(hào)、鍵盤掃描信號(hào)以及數(shù)碼管顯示時(shí)鐘信號(hào)。鍵盤掃描電路用來產(chǎn)生鍵盤掃描信號(hào)，根據(jù)矩陣鍵盤工作原理，需要產(chǎn)生從第一列到第四列的周期性掃描信號(hào)。采用VHDL 硬件語(yǔ)言設(shè)計(jì)掃描模塊，具體程序如下。

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2． 3 矩陣鍵盤譯碼電路

矩陣鍵盤所產(chǎn)生的掃描回復(fù)信號(hào)( 按鍵輸入給FPGA 的信號(hào)) ，是無法直接在FPGA 內(nèi)部作為信號(hào)進(jìn)行使用，在使用前需要根據(jù)定義的不同功能將掃描回復(fù)信號(hào)譯碼為可供FPGA 識(shí)別的BCD 編碼，完成矩陣鍵盤輸入的譯碼，同時(shí)區(qū)分不同按鍵的功能。譯碼電路的主要功能是: 判斷是否有鍵按下，然后根據(jù)掃描的信號(hào)確認(rèn)所按下的鍵是數(shù)字鍵還是功能鍵，將所按下的鍵編寫成BCD 碼。表1 為所用鍵盤輸入信號(hào)與按鍵位置之間的關(guān)系。

2． 4 存儲(chǔ)及顯示電路

每次掃描會(huì)產(chǎn)生新的按鍵輸入，可能會(huì)覆蓋前面的數(shù)據(jù)，所以需要一個(gè)按鍵存儲(chǔ)器電路，將整個(gè)鍵盤掃面完畢后的結(jié)果記錄下來。按鍵存儲(chǔ)電路由移位寄存器電路組成。本設(shè)計(jì)采用串行輸入、串行輸出移位寄存器作為按鍵存儲(chǔ)電路。設(shè)計(jì)思路: 八進(jìn)制計(jì)數(shù)器cnt 按合適的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù); 每記一個(gè)數(shù)，便給位選信號(hào)segweixh 賦一個(gè)不同的值，通過I /O 口將segweixh 的值輸出給138 譯碼器; 當(dāng)位選信號(hào)segweixh 變化時(shí)，按一定的算法將鍵盤輸入信號(hào)的四位賦值給內(nèi)部寄存器datebuf; process( datebuf) 過程是數(shù)碼管顯示譯碼階段，主要完成對(duì)輸入信號(hào)的譯碼工作。( 限于篇幅，程序略)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

( 1) 掃描電路仿真分析: 圖3 所示為分頻和鍵盤掃描仿真圖，圖中clk 為頻率為50MHz 的FPGA 時(shí)鐘信號(hào); clk_1kHz 為經(jīng)過50000 分頻得到的1kHz 的鍵盤掃描工作時(shí)鐘信號(hào); 在程序內(nèi)部分頻器的作用下對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，clk_scan 為鍵盤掃描信號(hào)，由圖3 可以看出仿真結(jié)果和理論要求一致。

( 2) 數(shù)碼管顯示電路仿真分析: 圖4 所示為數(shù)碼管顯示仿真波形，圖中clk 為頻率為50Mhz 的FPGA
時(shí)鐘信號(hào); clk_1khz 為經(jīng)過50000 分頻得到的1khz 的數(shù)碼管顯示工作時(shí)鐘信號(hào); 矩陣鍵盤輸入數(shù)據(jù)存放在移位寄存器datain_x 中，假設(shè)輸入數(shù)據(jù)為“0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111”，對(duì)應(yīng)的顯示數(shù)碼為0、1、2、3、4、5、6、7; led_out 為138 位選信號(hào)，由仿真結(jié)果看得其與理論值一致; segma_out 為數(shù)碼管顯示斷碼，由圖4 可得，在led_out為“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”、“111”時(shí)分別顯示“11111010”、“ 00100010”、“ 10111001”、“ 10101011”、“ 01100011”、“ 11001011”、“ 11011011”、“10100010”，即0、1、2、3、4、5、6、7 與輸入的數(shù)據(jù)一致。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的矩陣鍵盤控制器及其顯示電路在ISE13． 4 開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證后，下載到采用138 譯碼芯片、矩陣鍵盤、FPGA 及4 位數(shù)碼管建立開發(fā)的硬件系統(tǒng)中進(jìn)行了硬件驗(yàn)證，該硬件采用Xilinx 系列spartan-xc3s500E 芯片作為核心芯片。實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的完成目標(biāo)功能，硬件系統(tǒng)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，即驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)誤判概率低，反應(yīng)速度快，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。該模塊以按鍵的釋放控制按鍵編碼輸出，在按鍵被按下一段時(shí)間到釋放按鍵之前，不能按一定的間隔連續(xù)輸出被按鍵的鍵值，矩陣鍵盤沒有連續(xù)按鍵的功能。