进阶项目（11） 矩阵键盘程序设计讲解

Posted 2020-11-13 mengyi1989

写在前面的话

在使用按键的时候，如果按键不多的话，我们可以直接让按键与FPGA相连接，但是如果按键比较多的时候，如果还继续使用直接让按键与FPGA相连接的话，会大量增加FPGA端口的消耗，为了减少FPGA端口的消耗，我们可以把按键设计成矩阵的形式。接下来，梦翼师兄将和大家一起学习扫描键盘的电路原理以及驱动方式。

项目需求

设计4*4矩阵键盘按键扫描模块，正确解析按键值。

矩阵键盘的原理

由上图可以知道，矩阵键盘的行row（行）与col（列）的交点，都是通过一个按键相连接。传统的一个按键一个端口的方法，若要实现16个按键，则需要16个端口，而现在这个矩阵键盘的设计，16个按键，仅仅需要8个端口，如果使用16个端口来做矩阵键盘的话，可以识别64个按键，端口的利用率远远比传统的设计高好多，所以如果需要的按键少的话，可以选择传统的按键设计，如果需要的按键比较多的话，可以采用这种矩阵键盘的设计。而我们现在就以扫描法为例来介绍矩阵键盘的工作原理。

首先col（列）是FPGA给矩阵键盘输出的扫描信号，而row（行）是矩阵键盘反馈给FPGA的输入信号，用于检测哪一个按键被按下，示意图如下：

 如上图所示，FPGA给出扫描信号COL[3:0]，COL = 4’b0111，等下一个时钟周期COL = 4’b1011，再等下一个时钟周期COL = 4’b1101，再等下一个时钟周期COL = 4’b1110，再等下一个时钟周期COL = 4’b0111，COL就是这样不断循环，给矩阵键盘一个低电平有效的扫描信号，当FPGA给矩阵键盘COL扫描信号的同时，FPGA也要在检测矩阵键盘给FPGA的的反馈信号ROW，举个例子，假若矩阵键盘中的9号按键被按下了：

当COL = 4’b0111，ROW = 4’b1111；

当COL = 4’b1011，ROW = 4’b1111；

当COL = 4’b1101，ROW = 4’b1011；

当COL = 4’b1110，ROW = 4’b1111；

有人问，为什么当COL = 4’b1101的时候，ROW = 4’b1011呢？我们现在就以矩阵键盘的电路来分析一下这个原因，如上图所示：

当9号按键被按下的时候，9号按键的电路就会被导通，扫描电路COL开始扫描，当扫描到COL[1]的时候，由于9号按键的电路被导通了，COL[1]的电压等于ROW[2]的电压，所以会出现当COL = 4’b1101的时候ROW = 4’b1011（扫描信号的频率大概1K左右）。

通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了不产生这种现象而作的措施就是按键消抖。

抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms~10ms。这是一个很重要的时间参数，在很多场合都要用到。按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒（按键按下的时间一般都会大于20ms）。键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保CPU对按键的一次闭合仅作一次处理，必须去除按键抖动。在按键闭合稳定时读取按键的电平状态，并且必须判别到按键释放稳定后再作处理。

然后我们就可以利用这些现象，来设计一个识别按键的电路。

架构设计

根据原理分析，我们设计出架构图如下：

 

模块功能介绍

模块名	功能描述
key_scan	检测按键值

顶层模块端口描述

端口名	端口说明
clk	系统时钟输入
rst_n	系统复位
row	矩阵键盘的行线
data	按键值
flag	按键值有效（尖峰脉冲）
col	矩阵键盘的列线

 

 代码解释

Key_scan模块代码

/****************************************************            *   Engineer      :   梦翼师兄  *   QQ             :   761664056  *   The module function： 检测出键盘矩阵的按键值 *****************************************************/ 000 module key_scan ( 001                     clk, //系统时钟输入 002                     rst_n, //系统复位 003                     row,//矩阵键盘的行线 004                     flag,//输出值有效标志（尖峰脉冲） 005                     data,//按键值 006                     col//矩阵键盘的列线 007                 ); 008     //系统输入 009     input clk;//系统时钟输入 010     input rst_n;//系统复位 011     input [3:0] row;//矩阵键盘的行线 012     //系统输出 013     output reg flag;//输出值有效标志（尖峰脉冲） 014     output reg [3:0] data;//按键值 015     output reg [3:0] col;//矩阵键盘的列线 016 017     reg clk_1K;//1K的时钟 018     reg [20:0] count;//计数器 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分频，得出1K的时钟 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;//按键按下的时间 038     reg [1:0] state;//状态寄存器 039     reg [7:0] row_col;//按键对应的行列值 040      041     always @ (posedge clk_1K or negedge rst_n) 042         begin 043             if (!rst_n)//复位时，将中间寄存器和输出置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)//当有按键按下时，开始计数，只有 056                             begin    //一直按下20ms才会被当做有效的按键 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;//扫描的初始值 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};//当检测出来时，把行列线的值存起来 074                                         flag <= 1;  //拉高有效标志 075                                         state <= 2; 076                                         col <= 4‘b0000;//用于判断按键是否抬起来 077                                     end 078                                 else 079                                     begin 080                                         col <= {col[2:0],col[3]};//没有检测出来时，换成下一列 081                                     end                              //扫描 082                             end 083                              084                         2 : begin 085                                 if (row == 4‘b1111)//当按键释放20ms以后才会被当做释放 086                                     begin  //跳转到0状态进行新的按键值的检测 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; //每一个按键的位置被行线和列线唯一确定 122                         8‘b1110_1011: data =2; //根据行线和列线的值给出对应的按键值 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

 

测试代码

/****************************************************            *   Engineer      :   梦翼师兄  *   QQ             :   761664056  *   The module function：矩阵键盘测试代码 *****************************************************/ 000 `timescale 1ns/1ps 001 002 module key_scan_tb; 003 //系统输入 004 reg clk;//系统时钟输入 005 reg rst_n;//系统复位 006 reg [3:0] row;//矩阵键盘的行线 007 //系统输出 008 wire flag;//输出值有效标志（尖峰脉冲） 009 wire [3:0] data;//按键值 010 wire [3:0] col;//矩阵键盘的列线 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的时钟 020 021 reg [4:0] pnumber;//按键值 022 023 initial 024 begin 025 pnumber=16;//无按键按下 026 # 6000000 pnumber=1; 027 # 3000000 pnumber=16; 028 # 6000000 pnumber=1; 029 # 3000000 pnumber=16; 030 # 6000000 pnumber=1;//模仿了一段抖动 031 # 3000000 pnumber=16; 032 # 6000000 pnumber=1; 033 # 3000000 pnumber=16; 034 # 6000000 pnumber=1; 035 # 21000000 036  pnumber=1;//按键“1”按下了21ms 037 # 3000000 pnumber=16; 038 # 6000000 pnumber=1; 039 # 3000000 pnumber=16; 040 # 6000000 pnumber=1;//模仿释放时的抖动 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;//按下时的抖动 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;//释放时的抖动 061 # 6000000 pnumber=2; 062 # 3000000 pnumber=16; 063 # 6000000 pnumber=2; 064 # 3000000 pnumber=16; 065 end 066 067 //当有按键按下时，行线和列线的变化 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 //实例化key_scan模块 091  key_scan key_scan ( 092 .clk(clk), //系统时钟输入 093 .rst_n(rst_n), //系统复位 094 .row(row),//矩阵键盘的行线 095 .flag(flag),//输出值有效标志（尖峰脉冲） 096 .data(data),//按键值 097 .col(col)//矩阵键盘的列线 098 ); 099 100 endmodule

在测试模块的中的68行至88行，描述了矩阵键盘的响应方式。假如：“5”被按下，“5”处在row[1]和col[1]的位置，只有当col[1]为低电平时，row[1]才能检测到低电平，并且row=4’b1101唯一确定了按键的位置。

在测试中，模拟了数字“1”以及数字“2”按下以及释放时的抖动。

仿真分析

从波形中，我们可以看出：按键稳定前，pnumber有一段抖动，稳定之后，data变成了按键值，释放时pnumber又有一段抖动，两段抖动data都没有发生改变。