1、二、矩陣鍵盤顯示電路設(shè)計（顯示鍵盤值的平方）矩陣鍵盤顯示電路的設(shè)計一、實驗?zāi)康?、了解普通 4 × 4鍵盤掃描的原理。2、進一步加深七段碼管顯示過程的理解。3、了解對輸入 /輸出端口的定義方法。二、實驗原理實現(xiàn)鍵盤有兩種方案：一是采用現(xiàn)有的一些芯片實現(xiàn)鍵盤掃描；再就是用軟 件實現(xiàn)鍵盤掃描。作為一個嵌入系統(tǒng)設(shè)計人員，總是會關(guān)心產(chǎn)品成本。目前有很多芯片可以用來實現(xiàn)鍵盤掃描，但是鍵盤掃描的軟件實現(xiàn)方法有助于縮減一個系統(tǒng)的重復(fù)開發(fā)成本，且只需要很少的CPU 開銷。嵌入式控制器的功能能強，可能充分利用這一資源，這里就介紹一下軟鍵盤的實現(xiàn)方案。圖 10-1簡單鍵盤電路通常在一個鍵盤中使用了一個瞬

2、時接觸開關(guān)，并且用如圖10-1所示的簡單電路，微處理器可以容易地檢測到閉合。當(dāng)開關(guān)打開時， 通過處理器的 I/O口的一個上拉電阻提供邏輯1；當(dāng)開關(guān)閉合時，處理器的/IO 口的輸入將被拉低得到邏輯0。可遺憾的是，開關(guān)并不完善，因為當(dāng)它們被按下或者被釋放時，并不能夠產(chǎn)生一個明確的1或者 0。盡管觸點可能看起來穩(wěn)定而且很快地閉合，但與微處理器快速的運行速度相比，這種動作是比較慢的。當(dāng)觸點閉合時， 其彈起就像一個球。 彈起效果將產(chǎn)生如圖 10-2所示的好幾個脈沖。彈起的持續(xù)時間通常將維持在 5ms30ms 之間。如果需要多個鍵，則可以將每個開關(guān)連接到微處理器上它自己的輸入端口。然而，當(dāng)開關(guān)的數(shù)目增加時

3、，這種方法將很快使用完所有的輸入端口。圖 10-2 按鍵抖動鍵盤上陣列這些開關(guān)最有效的方法 （當(dāng)需要 5個以上的鍵時）就形成了一個如圖 10-3 所示的二維矩陣。 當(dāng)行和列的數(shù)目一樣多時， 也就是方型的矩陣，將產(chǎn)生一個最優(yōu)化的布列方式（ I/O 端被連接的時候），一個瞬時接觸開關(guān)（按鈕）放置在每一行與線一列的交叉點。 矩陣所需的鍵的數(shù)目顯然根據(jù)應(yīng)用程序而不同。 每一行由一個輸出端口的一位驅(qū)動，而每一列由一個電阻器 上拉且供給輸入端口一位。圖 10-3 矩陣鍵盤鍵盤掃描的實現(xiàn)過程如下：對于 4 × 4 鍵盤，通常連接為 4行、 4列，因此要識別按鍵，只需要知道是哪一行和哪一列即可，為了

4、完成這一識別過程，我們的思想是，首先固定輸出 4行為高電平，然后輸出 4列為低電平，在讀入輸出的 4行的值，通常高電平會被低電平拉低，如果讀入的 4 行均為高電平，那么肯定沒有按鍵按下，否則，如果讀入的 4 行有一位為低電平，那么對應(yīng)的該行肯定有一個按鍵按下，這樣便可以獲取到按鍵的行值。同理，獲取列值也是如此，先輸出 4 列為高電平，然后在輸出 4 行為低電平，再讀入列值，如果其中有哪一位為低電平，那么肯定對應(yīng)的那一列有按鍵按下。獲取到行值和列值以后，組合成一個 8位的數(shù)據(jù)，根據(jù)實現(xiàn)不同的編碼在對每個按鍵進行匹配，找到鍵值后在 7段碼管顯示。三、實驗內(nèi)容本實驗要求完成的任務(wù)是通過編程實現(xiàn)對 4

5、X4 矩陣鍵盤按下鍵的鍵值的讀 取，并在數(shù)碼管上完成一定功能 （如移動等） 的顯示。按鍵盤的定義， 按下“* ” 鍵則在數(shù)碼管是顯示“ E”鍵值。按下“ #”鍵在數(shù)碼管上顯示“ F” 鍵值。其它的鍵則按鍵盤上的標(biāo)識進行顯示。在此實驗中數(shù)碼管與 FPGA的連接電路和管腳連接在以前的實驗中都做了詳細(xì)說明，這里不在贅述。本實驗箱上的 4X4 矩陣鍵盤的電路原理如圖 10-4所示。與 FPGA 的管腳連接如表 10-1所示。圖 10-4 4X4 矩陣鍵盤電路原理圖表 10-1 4X4 矩陣鍵與 FPGA 的管腳連接表信號名稱對應(yīng)FPGA 管腳名說明KEY-C0KEY-C1KEY-C2KEY-C3KEY

6、-R0KEY-R1KEY-R2KEY-R3B8A9B9E5B6A7B7A8矩陣鍵盤的第1 列選擇矩陣鍵盤的第2 列選擇矩陣鍵盤的第3 列選擇矩陣鍵盤的第4 列選擇矩陣鍵盤的第1 行選擇矩陣鍵盤的第2 行選擇矩陣鍵盤的第3 行選擇矩陣鍵盤的第4 行選擇四、實驗步驟1、打開 QUARTUSII 軟件，新建一個工程。2、建完工程之后，再新建一個VHDL File ，打開 VHDL 編輯器對話框。3、按照實驗原理和自己的想法，在VHDL編輯窗口編寫 VHDL程序，用戶可參照光盤中提供的示例程序。4、編寫完 VHDL程序后，保存起來。方法同實驗一。5、對自己編寫的 VHDL程序進行編譯并仿真，對程序的錯

7、誤進行修改。6、編譯仿真無誤后， 依照 4X4 矩陣鍵、數(shù)碼管與 FPGA 的管腳連接表（表或參照附錄）進行管腳分配。 表 10-2 是示例程序的管腳分配表。 分配完成后，再進行全編譯一次，以使管腳分配生效。表 10-2端口管腳分端口名使用模塊信號對應(yīng) FPGA 管腳說 明CLK數(shù)字信號源C13時鐘為 1KHZKR04*4矩陣鍵盤R0B6KR14*4矩陣鍵盤R1A7矩陣鍵盤行信號KR24*4R2B7矩陣鍵盤KR34*4矩陣鍵盤R3A8KC04*4矩陣鍵盤C0B8矩陣鍵盤列信號KC14*4矩陣鍵盤C1A9配表KC24*4矩陣鍵盤 C2B9矩陣鍵盤列信號KC34*4矩陣鍵盤 C3E5A數(shù)碼管模塊A

8、 段F13B數(shù)碼管模塊B 段F14C數(shù)碼管模塊C 段F15D數(shù)碼管模塊D 段E15E數(shù)碼管模塊E 段F16鍵值顯示F數(shù)碼管模塊F 段F17G數(shù)碼管模塊G 段E18SA數(shù)碼管模塊SEL0G18SB數(shù)碼管模塊SEL1G17SC數(shù)碼管模塊SEL2G167、用下載電纜通過 JTAG 口將對應(yīng)的 sof 文件加載到 FPGA 中。觀察實驗 結(jié)果是否與自己的編程思想一致。五、實驗結(jié)果與現(xiàn)象以設(shè)計的參考示例為例，當(dāng)設(shè)計文件加載到目標(biāo)器件后，將數(shù)字信號源模塊 的時鐘選擇為 1KHz ，按動“模式”按鍵使單 8字?jǐn)?shù)碼管顯示 “ 0”（參考實驗四），按下矩陣鍵盤的某一個鍵，則在數(shù)碼管上顯示對應(yīng)的這個鍵標(biāo)識的鍵值，

9、當(dāng)再按下第二個鍵的時候前一個鍵的鍵值在數(shù)碼管上左移一位。按下“ * ”鍵則在數(shù)碼管是顯示 “E”鍵值。按下“#”鍵在數(shù)碼管上顯示 “F”鍵 值。/*工程： 4x4 矩陣鍵盤日期： 2011-08-3最后修改：功能：鍵盤說明： ROW 【 3:0】設(shè)為輸入， COL 【 3:0】設(shè)為輸出。如果沒有按鍵按下，則ROW 【 3:0】一直被上拉為高電平，且COL 【 3:0】有低電平輸出，ROW 【 3:0】中才有可能低電平輸入。*/module keys(clk_50M,rst_n,row,col,dataout,smg_wei);/*/output 3:0col;/矩陣鍵盤列inputrst_n;

10、/ 復(fù)位鍵inputclk_50M;/系統(tǒng)時鐘input3:0row;/ 矩陣鍵盤行output 7:0dataout;/ 鍵盤值數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)output 7:0smg_wei;/數(shù)碼管顯示使能reg 7:0dataout;reg 3:0col;reg 3:0key_board_val;/*/assignsmg_wei=0;/ 八個數(shù)碼管顯示/*/ 分頻部分開始/*/reg19:0cnt;/計數(shù)子always (posedge clk_50M or negedge rst_n)if(!rst_n)cnt<=0;elsecnt<=cnt+1'b1;wire key_clk=

11、cnt19;/ 220/50M=21ms/*狀態(tài)機部分獨熱碼編碼*/parameter NO_KEY_PRESSED=6'b000_001;/ 沒有鍵按下parameter SCAN_COL0=6'b000_010;/ 掃描第 0列parameter SCAN_COL1=6'b000_100;/ 掃描第 1列parameter SCAN_COL2=6'b001_000;/ 掃描第2列parameter SCAN_COL3=6'b010_000;/ 掃描第3列parameter KEY_PRESSED=6'b100_000;/ 有鍵按下/*/reg

12、 5:0current_state,next_state;/ 現(xiàn)態(tài)和次態(tài)/*/ 復(fù)位/*/always (posedge key_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)current_state<=NO_KEY_PRESSED;elsecurrent_state<=next_state;/*/always */(current_state)/ 根據(jù)條件轉(zhuǎn)移狀態(tài)case (current_state)NO_KEY_PRESSED:/ 沒有鍵按下if(row!=4'hf)next_state=SCAN_COL0;elsenext_state=NO_KEY

13、_PRESSED;SCAN_COL0:/ 掃描第0 列if(row!=4'hf)next_state=KEY_PRESSED;elsenext_state=SCAN_COL1;SCAN_COL1:/掃描第1 列if(row!=4'hf)next_state=KEY_PRESSED;elsenext_state=SCAN_COL2;SCAN_COL2:/掃描第2 列if(row!=4'hf)next_state=KEY_PRESSED;elsenext_state=SCAN_COL3;SCAN_COL3:/掃描第3 列if(row!=4'hf)next_state

14、=KEY_PRESSED;elsenext_state=NO_KEY_PRESSED;KEY_PRESSED:/有按鍵按下if(row!=4'hf)next_state=KEY_PRESSED;elsenext_state=NO_KEY_PRESSED;endcase/*/reg key_pressed_flag; / 按鍵按下標(biāo)志reg 3:0col_val;/ 列值reg 3:0row_val;/ 行值/*/根據(jù)次態(tài)，給相應(yīng)的寄存器賦值/*/always (posedge key_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)/ 復(fù)位begincol<=4&#

15、39;h0;key_pressed_flag<=0;endelsecase (next_state)NO_KEY_PRESSED:begincol<=4'h0;key_pressed_flag<=0;endSCAN_COL0:/ 掃描第0 列col<=4'b1110;SCAN_COL1:/ 掃描第1 列col<=4'b1101;SCAN_COL2:/ 掃描第2 列col<=4'b1011;SCAN_COL3:/掃描第3 列col<=4'b0111;KEY_PRESSED:/ 有按鍵按下begincol_val&l

16、t;=col; /鎖存列值row_val<=row; /鎖存行值key_pressed_flag<=1;/ 置鍵盤按下標(biāo)endendcase/* */ 掃描行列值部分開始/* */always (posedge key_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)key_board_val<=4'h0;elseif(key_pressed_flag)case(col_val,row_val)8'b11101110 : key_board_val <= 4'h0;8'b11101101 : key_board_val &l

17、t;= 4'h4;8'b11101011 : key_board_val <= 4'h8;8'b11100111 : key_board_val <= 4'hC;8'b11011110 : key_board_val <= 4'h1;8'b11011101 : key_board_val <= 4'h5;8'b11011011 : key_board_val <= 4'h9;8'b11010111 : key_board_val <= 4'hD;8'

18、;b10111110 : key_board_val <= 4'h2;8'b10111101 : key_board_val <= 4'h6;8'b10111011 : key_board_val <= 4'hA;8'b10110111 : key_board_val <= 4'hE;8'b01111110 : key_board_val <= 4'h3;8'b01111101 : key_board_val <= 4'h7;8'b01111011 : key_board_val <= 4'hB;8'b01110111 : key_board_val <= 4'hF;endcase/* */ 鍵盤值轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管顯示/* */always * /(key_board_val)begincase(key_board_val)4'h0:dataout<=8'b11000000;/04'