EDA矩阵键盘

实验十五矩阵键盘接口电路的设计

一、实验目的

1、了解普通4×4键盘扫描的原理。

2、进一步加深七段码管显示过程的理解。

3、了解对输入/输出端口的定义方法。

一、实验原理

实现键盘有两种方案：一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描；再就是用软件实现键盘扫描。作为一个嵌入系统设计人员，总是会关心产品成本。目前有很多芯片可以用来实现键盘扫描，但是键盘扫描的软件实现方法有助于缩减一个系统的重复开发成本，且只需要很少的CPU 开销。嵌入式控制器的功能能强，可能充分利用这一资源，这里就介绍一下软键盘的实现方案。

图15-1 简单键盘电路

通常在一个键盘中使用了一个瞬时接触开关，并且用如图15-1 所示的简单电路，微处理器可以容易地检测到闭合。当开关打开时，通过处理器的I/O 口的一个上拉电阻提供逻辑1；当开关闭合时，处理器的/IO 口的输入将被拉低得到逻辑0。可遗憾的是，开关并不完善，因为当它们被按下或者被释放时，并不能够产生一个明确的1 或者0。尽管触点可能看起来稳定而且很快地闭合，但与微处理器快速的运行速度相比，这种动作是比较慢的。当触点闭合时，其弹起就像一个球。弹起效果将产生如图15-2 所示的好几个脉冲。弹起的持续时间通常将维持在5ms∼30ms 之间。如果需要多个键，则可以将每个开关连接到微处理器上它自己的输入端口。然而，当开关的数目增加时，这种方法将很快使用完所有的输入端口。

图15-2 按键抖动

键盘上阵列这些开关最有效的方法（当需要5 个以上的键时）就形成了一个如图15-3 所示的二维矩阵。当行和列的数目一样多时，也就是方型的矩阵，将产生一个最优化的布列方式（I/O 端被连接的时候）。一个瞬时接触开关（按钮）放置在每一行与线一列的交叉点。矩阵所需的键的数目显然根据应用程序而不同。每一行由一个输出端口的一位驱动，而每一列由一个电阻器上拉且供给输入端口一位。

图15-3 矩阵键盘

键盘扫描的实现过程如下：对于4×4键盘，通常连接为4行、4列，因此要识别按键，只需要知道是哪一行和哪一列即可，为了完成这一识别过程，我们的思想是，首先固定输出4行为高电平，然后输出4列为低电平，在读入输出的4行的值，通常高电平会被低电平拉低，如果读入的4行均为高电平，那么肯定没有按键按下，否则，如果读入的4行有一位为低电平，那么对应的该行肯定有一个按键按下，这样便可以获取到按键的行值。同理，获取列值也是如此，先输出4列为高电平，然后在输出4行为低电平，再读入列值，如果其中有哪一位为低电平，那么肯定对应的那一列有按键按下。

获取到行值和列值以后，组合成一个8位的数据，根据实现不同的编码在对每个按键进行匹配，找到键值后在7段码管显示。

二、实验内容

本实验要求完成的任务是通过编程实现对4X4矩阵键盘按下键的键值的读取，并在数码管上完成一定功能（如移动等）的显示。按键盘的定义，按下“*”键则在数码管是显示“E”键值。按下“#”键在数码管上显示“F”键值。其它的键则按键盘上的标识进行显示。

在此实验中数码管与FPGA的连接电路和管脚连接在以前的实验中都做了详细说

明，这里不在赘述。本实验箱上的4X4矩阵键盘的电路原理如图15-4所示。与FPGA的管脚连接如表15-1所示。

图15-4 4X4矩阵键盘电路原理图

表15-1 4X4矩阵键与FPGA的管脚连接表

三、实验步骤

1、打开QUARTUSII软件，新建一个工程。

2、建完工程之后，再新建一个VHDL File，打开VHDL编辑器对话框。

3、按照实验原理和自己的想法，在VHDL编辑窗口编写VHDL程序，用户可参

照光盘中提供的示例程序。

4、编写完VHDL程序后，保存起来。方法同实验一。

5、对自己编写的VHDL程序进行编译并仿真，对程序的错误进行修改。

6、编译仿真无误后，依照4X4矩阵键、数码管与FPGA的管脚连接表（表或参

照附录进行管脚分配。表15-2是示例程序的管脚分配表。分配完成后，再进行全

编译一次，以使管脚分配生效。

表15-2 端口管脚分配表

7、用下载电缆通过JTAG口将对应的sof文件加载到FPGA中。观察实验结果是

否与自己的编程思想一致。

四、实验结果与现象

以设计的参考示例为例，当设计文件加载到目标器件后，将数字信号源模块的时钟选择为1KHZ，按下矩阵键盘的某一个键，则在数码管上显示对应的这个键标识的键值，当再按下第二个键的时候前一个键的键值在数码管上左移一位。按下“*”键则在数码管是显示“E”键值。按下“#”键在数码管上显示“F”键值。

五、实验报告

1、绘出不同的键值时的数码管的仿真波形，并作说明。

2、根据自己的思路，找一找还有没有其它方法进行键盘的扫描显示。并画出流程图。

1、将实验原理、设计过程、编译仿真波形和分析结果、硬件测试结果记录下来。