FPGA矩阵键盘课程设计

FPGA课程设计报告

项目名称基于FPGA的4*4矩阵键盘的设计

专业班级通信1

学生姓名张

指导教师

2016年7 月10 日

摘要

本课程设计提出了基于FPGA的4*4矩阵键盘的设计，主要是在软件Quartus II 9.0这个环境中，以硬件描述语言Verilog进行编写程序,从而完成矩阵键盘的相关设计。主要由矩阵式键盘电路、显示电路等组成，实现过程是通过行扫描输入随机信号，列扫描判断哪一个键被按下，并最后由数码管显示该按键。此次课程设计完成了4*4矩阵键盘控制LED数码管显示系统的设计，该设计具有灵活性强，易于操作，可靠性高，广泛应用于各种场合的特点，是进行按键操作管理的有效方法，它可以提高系统准确性，有利于资源的节约，降低对操作者本身的要求，并能正确、实时、高效地显示按键信息，以提高工作效率和资源换利用率的意义。

关键词：数码管；矩阵键盘；按键；显示电路

Abstract

This course is designed based on FPGA is proposed 4 * 4 matrix keyboard design, mainly in the Quartus II software 9.0 this environment, with the Verilog hardware description language program, so as to complete the related design of matrix keyboard. Main matrix keyboard circuit, display circuit and so on, complete the 4 * 4 matrix keyboard control LED digital tube display system design, the design has strong flexibility, easy operation, high reliability, widely used in various occasions. Into 4 * 4 matrix keyboard control LED digital tube display system design, design flexibility is strong, easy to operate, high reliability, widely used in various occasions. Matrix keyboard control system, can improve efficiency, and is an effective method to manage the keystrokes, it can improve the system accuracy, and is conducive to resource saving and reduce the requirement of the operator itself, and correctly, real-time and efficient to show the key information, in order to improve the work efficiency and the utilization ratio of resources in meaning.

Keywords: Digital tube; Matrix keyboard; The key; Disply circuit

目录

摘要 ·······································································································I Abstract ·····································································································II

第1章绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 国内外发展现状 (1)

1.3 本文主要研究内容 (1)

第2章软件及语言简介 (2)

2.1 Quartus软件简介 (3)

2.2 Verilog语言简介 (4)

2.2.1 Verilog语言的主要功能 (4)

2.2.2 Verilog语言设计数字系统的特点 (4)

第3章 4*4矩阵键盘的原理 (6)

3.1 4*4矩阵式键盘 (6)

3.2 总体结构 (6)

3.2.1 LED数码管 (8)

3.2.2 键盘结构 (9)

3.3 键盘扫描 (9)

3.4 矩阵键盘接口电路的原理 (9)

第4章程序调试 (11)

4.1 流程图 (11)

4.2 程序结果讨论 (11)

第5章波形仿真及讨论 (13)

5.1 波形结果 (13)

5.2 结果讨论 (14)

结论 (15)

参考文献 (16)

附录程序 (17)

致谢 (19)

第1章绪论

1.1 课题背景

在现代的个人计算机系统中,一般都采用通用的标准键盘如标准键盘（如：标准101/102键盘或Microsoft自然PS/2键盘）来实现人与计算机之间的接口交互, 从而将需要的各种数据和指令等信息都通过键盘来输人计算机。

但是, 各种嵌人式系统（如：手机、微波炉、电风扇等）所需的键盘的按键个数非常有限, 通常为几个到十几个不等（而标准键盘通常为：一百多个按键并且每个按键所代表的功能含义也各不相同。所以, 每一种嵌入式系统都应对键盘（包括键盘扫描模块和相关控制信号等）进行专门设计, 以便结合工程实际情况充分利用该系统已有的各种资源, 使所设计的键盘很好地融合到嵌人式系统中[1]。

在现代个人计算机系统中, 一般都采用通用的标准键盘( 如: 标准101/102 键盘或Microsoft自然PS/2 键盘) 来实现人与计算机之间的接口交互, 所需要的各种数据和指令等信息都通过键盘来输入计算机。

但是, 在各种嵌入式系统( 如手机、微波炉、电风扇等) 中, 所需要的键盘按键个数非常有限, 通常为几个到十几个不等( 而标准键盘通常为一百多个按键) , 并且每个按键所代表的功能含义也各不相同。所以, 针对每一种嵌入式系统都应对键盘( 包括键盘扫描模块和相关控制信号等) 进行专门设计, 结合工程实际情况充分利用该系统已有的各种资源, 使所设计的键盘恰如其分地融合到嵌入式系统中, 成为其不可分割的一部分[2]。

在数字电路中, 可以利用编码器实现按键键值的直接编码。将每个按键的输出信号对应连接到编码器的每个输入端, 通过编码逻辑就可以在编码器的输出端得到对应每个按键的码值, 早期称这种键盘为编码键盘。但是,当按键较多时数码逻辑的成本较高, 直接编码的方法也不够灵活, 一旦编码逻辑固定就难以更改。

在通用键盘上或当按键数量较多时, 普遍采用扫描方式产生键值。将按键连接成矩阵, 每个按键位于某行、某列的交点上, 如图1 所示, 先通过扫描方式确定按下键的行和列位, 即位置码或扫描码。再查表将位置码转换为按键码值或者直接使用扫描码,有些参考书称此为“非编码键盘”。但这种名称容易让人误解为没有对应的键值, 因此又称为扫描式键盘[3]。

1.2 国内外发展现状

近年来EDA技术在电子领域引发的技术革命，推动着电子技术的迅猛发展，为世人所瞩目，而FPGA为代表的可编程逻辑器件的应用，更是受到业内人士的普遍关注。伴随