FPGA學(xué)習(xí)系列：26. 矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)背景：

矩陣鍵盤在工程設(shè)計(jì)越來越多的被用到，已然成為了我們做開發(fā)接觸到的不可缺少的小型項(xiàng)目，利于我們理解設(shè)計(jì)方向的原理為以后的強(qiáng)化學(xué)習(xí)打好了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)原理:

在使用按鍵的時候，如果按鍵不多的話，我們可以直接按鍵與FPGA相連接，但是如果按鍵比較多的時候，如何還繼續(xù)使用直接按鍵與FPGA相連接的話，所會大量增加FPGA端口的消耗，為了減少FPGA端口的消

耗，我們可以把按鍵設(shè)計(jì)成矩陣的形式，就如下圖所示：

由上圖可以知道，矩陣鍵盤的行row（行）與col（列）的交點(diǎn)，都是通過一個按鍵來相連接。傳統(tǒng)的一個按鍵一個端口的方法，若要實(shí)現(xiàn)16個按鍵，則需要16個端口，而現(xiàn)在這個矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)，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(yuǎn)遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)好的多，所以如果需要的按鍵少的話，可以選擇傳統(tǒng)的按鍵設(shè)計(jì)，如果需要的按鍵比較多的話，可以采用這種矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)。而我們現(xiàn)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，用于檢測哪一個按鍵被按下來，如下圖所示：

詳細(xì)如上圖所示，FPGA給出掃描信號COL[3:0]，COL = 4’b0111，等下一個時鐘周期COL = 4’b1011，再等下一個時鐘周期COL =4’b1101，再等下一個時鐘周期COL = 4’b1110，再等下一個時鐘周期COL = 4’b0111，COL就是這樣不斷循環(huán)，給矩陣鍵盤一個低電平有效的掃描信號，當(dāng)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號案件被按下了：

當(dāng) COL = 4’b1101，ROW =4’b1011 ；

當(dāng)9號按鍵被按下的時候，9號按鍵的電路就會被導(dǎo)通，掃描電路COL開始掃描，當(dāng)掃描到COL[1]的時候，由于9號按鍵的電路被導(dǎo)通了，COL[1]的電壓等于ROW[2]的電壓，所以會出現(xiàn)當(dāng)COL = 4’b1101的時候ROW = 4’b1011；然后我們就可以利用這一種現(xiàn)象，來設(shè)計(jì)一個識別按鍵的電路。

設(shè)計(jì)架構(gòu)圖:

設(shè)計(jì)代碼:

設(shè)計(jì)模塊

0modulekey_borad(clk,rst_n,row,col,key_num);

1 inputclk;

2 inputrst_n;

3 input[3:0]row; //輸入反饋信號

4

5

6 outputreg[3:0]col; //輸出掃描信號

7 outputreg[3:0]key_num; //按鍵值得輸除

8

9 reg[15:0]count;

10

11 parameterT1ms =50000;//掃描的時間間隔 50000 * 20ns

12 //parameter T1ms = 5;

13

14 regflag;

15 always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

16 if(!rst_n)

17 begin

18 count <=16'd0;

19 flag <=1'b0;

20 end

21 else

22 begin

23 if(count <T1ms -1)//計(jì)數(shù)時間

24 begin

25 count <=count +1'b1;

26 flag <=0;

27 end

28 else

29 begin

30 flag <=1'b1;//計(jì)數(shù)到了就給一個標(biāo)志位

31 count <=16'b0;

32 end

33 end

34 always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

35 if(!rst_n)

36 begin

37 col <=4'b0111;

38 end

39 else

40 begin

41 if(flag)

42 col <={col[2:0],col[3]};//列掃描

43 else

44 col <=col;

45 end

46

47 //鍵值得翻譯模塊

48 always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

49 if(!rst_n)

50 key_num =4'd0;

51 else

52 case({row,col}) //位拼接行和列的信號，翻譯出對應(yīng)的鍵值

53 8'b0111_0111:key_num =4'hf;

54 8'b0111_1011:key_num =4'he;

55 8'b0111_1101:key_num =4'hd;

56 8'b0111_1110:key_num =4'hc;

57

58 8'b1011_0111:key_num =4'hb;

59 8'b1011_1011:key_num =4'ha;

60 8'b1011_1101:key_num =4'h9;

61 8'b1011_1110:key_num =4'h8;

62

63 8'b1101_0111:key_num =4'h7;

64 8'b1101_1011:key_num =4'h6;

65 8'b1101_1101:key_num =4'h5;

66 8'b1101_1110:key_num =4'h4;

67

68 8'b1110_0111:key_num =4'h3;

69 8'b1110_1011:key_num =4'h2;

70 8'b1110_1101:key_num =4'h1;

71 8'b1110_1110:key_num =4'h0;

72 default:;

73 endcase

74endmodule

測試模塊

0`timescale1ns/1ps

1

2modulekey_borad_tb();

3 regclk;

4 regrst_n;

5 reg[4:0]pressnum;//按鍵的值

6 wire[3:0]row;

7

8 wire[3:0]col;

9 wire[3:0]key_num;//輸出的值

10

11 initialbegin

12 clk =1'b1;

13 rst_n =1'b0;

14 pressnum =5'd16;

15

16 #200.1

17 rst_n =1'b1;

18 #1000

19 pressnum =5'd16;

20

21 #1000

22 pressnum =5'd8;

23

24 #1000

25 pressnum =5'd16;

26

27 #1000

28 pressnum =5'd15;

29 #1000

30 pressnum =5'd16;

31 #1000

32 $stop;

33

34 end

35 always#10clk =~clk;

36 //例化對應(yīng)的模塊

37 key_top borad_dut(

38 .clk(clk),

39 .rst_n(rst_n),

40 .row(row),

41 .col(col),

42 .key_num(key_num)

43 );

44 yingjian yingjian_dut(//硬件檢測電路 //此模塊自己可以設(shè)計(jì)

45 .clk(clk),

46 .rst_n(rst_n),

47 .col(col),

48 .row(row),

49 .pressnum(pressnum)

50 );

51endmodule

仿真圖:

在仿真圖中可以清晰的看出當(dāng)按鍵按下的時候?yàn)?/span>8，顯示出來的鍵值也為8，當(dāng)抬起的時候?yàn)?6，那么鍵值就保持不變，在設(shè)置的時候我們設(shè)置的是按鍵抬起為16，通過驗(yàn)證我們得到我們的設(shè)計(jì)是正確的。