verilog_矩阵键盘

二、矩阵键盘显示电路设计（显示键盘值的平方）

矩阵键盘显示电路的设计

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。

二、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10-1 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10-1 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10-2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10-2 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10-3 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10-3 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。

三、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 10-4 所示。与F PGA 的管脚连接如表10-1 所示。

图10-4 4X4 矩阵键盘电路原理图

表10-1 4X4 矩阵键与F PGA 的管脚连接表

四、实验步骤

1、打开Q UARTUSII 软件，新建一个工程。

2、建完工程之后，再新建一个V HDL File，打开V HDL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V HDL 程序后，保存起来。方法同实验一。

5、对自己编写的V HDL 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10-2 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 10-2 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。

五、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，按动“模式”按键使单8字数码管显示“0”（参考实验四），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。

/************************************************

工程：4x4矩阵键盘

日期：2011-08-3

最后修改：

功能：键盘

说明：ROW【3:0】设为输入，COL【3:0】设为输出。

如果没有按键按下，则ROW【3:0】一直被上

拉为高电平，且COL【3:0】有低电平输出，

ROW【3:0】中才有可能低电平输入。

*************************************************/

module keys(clk_50M,rst_n,row,col,dataout,smg_wei);

/*************************************************/

output [3:0]col; //矩阵键盘列

input rst_n; //复位键

input clk_50M; //系统时钟

input [3:0]row; //矩阵键盘行

output [7:0]dataout; //键盘值数码管显示数据

output [7:0]smg_wei; //数码管显示使能

reg [7:0]dataout;

reg [3:0]col;

reg [3:0]key_board_val;

/*************************************************/

assign smg_wei=0; //八个数码管显示