4X4矩阵键盘及显示电路设计说明

4X4矩阵键盘及显示电路设计

FPGA在数字系统设计中的广泛应用，影响到了生产生活的各个方面。在FPGA 的设计开发中，VHDL语言作为一种主流的硬件描述语言，具有设计效率高，可靠性好，易读易懂等诸多优点。作为一种功能强大的FPGA数字系统开发环境，Altera公司推出的Quar-tUSⅡ，为设计者提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程，为使用VHDL语言进行FPGA设计提供了极大的便利。矩阵键盘作为一种常用的数据输入设备，在各种电子设备上有着广泛的应用，通过7段数码管将按键数值进行显示也是一种常用的数据显示方式。在设计机械式矩阵键盘控制电路时，按键防抖和按键数据的译码显示是两个重要方面。本文在QuartusⅡ开发环境下，采用VHDL语言设计了一种按键防抖并能连续记录并显示8次按键数值的矩阵键盘及显示电路。

一、矩阵键盘及显示电路设计思路

矩阵键盘及显示电路能够将机械式4×4矩阵键盘的按键值依次显示到8个7段数码管上，每次新的按键值显示在最右端的第O号数码管上，原有第0～6号数码管显示的数值整体左移到第1～7号数码管上显示，见图1。总体而言，矩阵键盘及显示电路的设计可分为4个部分：

(1)矩阵键盘的行及列的扫描控制和译码。该设计所使用的键盘是通过将列扫描信号作为输入信号，控制行扫描信号输出，然后根据行及列的扫描结果进行译码。

(2)机械式按键的防抖设计。由于机械式按键在按下和弹起的过程中均有5～10 ms的信号抖动时间，在信号抖动时间无法有效判断按键值，因此按键的防抖设计是非常关键的，也是该设计的一个重点。

(3)按键数值的移位寄存。由于该设计需要在8个数码管上依次显示前后共8次按键的数值，因此对已有数据的存储和调用也是该设计的重点所在。

(4)数码管的扫描和译码显示。由于该设计使用了8个数码管，因此需要对每个数码管进行扫描控制，并根据按键值对每个数码管进行7段数码管的译码显示。

二、矩阵键盘及显示电路的实现

本文所设计的矩阵键盘及显示电路的电路符号如图2所示。其中，clk为时钟信号输入端(频率可为1 024～32 768Hz);start为清零控制端;kbrow为列扫描信号输入端;kbeol为行扫描信号输出端;scan为数码管地址扫描信号输出端;seg7为数码管显示信号输出端。

图1 矩阵键盘及显示电路原理图

图2 矩阵键盘及显示电路的电路符号

如图1所示，全部代码由7个进程(process)组成。其中，进程P1和P2用于对列扫描输入信号kbrow进行读取，并通过或非运算产生行扫描使能控制信号en对行扫描输出信号kbcol进行控制，并生成一个与kbcol对应的状态信号state。若没有按键被按下(即kbrow="0000")，则en= '1'，行扫描输出信号kbcol 不断循环扫描各行;若有按键被按下，en=‘O’，则行扫描停止，并锁存当前kbcol 的值。进程P1和P2的代码如下：

P1:process(clk,kbrow)

begin

en < =not (kbrow(0) or kbrow(1) or kbrow(2) or kbrow(3));

if(cle’event and clk =‘1’) then

if en =‘1’ then count < =count +1；

end if;

end if;

end process;

P2:process(clk)

begin

if clk’event and clk =‘1’ then

case count is

when “00”= >kbcol < =“0001”;

state < =“00”;

when “01” = >kbcol < =“0010”;

state < =“01”;

when “10” = >kbcol < =“0100”;

state < =“10”;

when “11” = >kbcol < =“1000”;

state < =“11”;

when others = >kbcol < =“1111”;

end case;

end if;

end process;

进程P3使用“case…when”语句，根据状态信号state的值(即kbcol的值)和列扫描输入信号kbrow的值进行按键值译码，生成一个4位二进制按键数值信号dat，用以记录当前按键值。例如，当kbcol=“0010”，kbrow=“0001”时，“B”键按下，dat=“1011”。进程P3的代码在此不再赘述。

进程P4和P5用于按键的防抖和按键值的移位寄存。通过将行扫描使能控制信号en不断赋给一个8位二进制变量reg8，再将reg8赋给8位二进制信号key，实现对按键状态的记录，然后通过对key的各位数值进行与运算，生成防抖控制信号fnq。一旦有按键按下，en=‘O’，则即便是按键在抖动，key中至少也有1位数值为‘0’，从而使fnq=‘O’。只有当按键再次弹起，并且在连续8个时钟周期不再有新的按键按下，key的数值全为‘1’，则fnq=‘1’，fnq产生一个上升沿，从而触发按键数值信号dat进入数值寄存信号temp(32位二进制数)的第0～3位，并将temp原来的第0～27位左移到第4～31位，实现1次按键按下的数值存储。进程P4和P5的代码如下：

P4:process（clk）

Variable reg8 :std_logic_vector(7 downto 0);

BEGIN

If(clk’ event and clk = ‘1’) then

Reg8 : =reg8(6 downto 0) &en;

end if;

key < =reg8;

end process;

fnq <=key(0) and key(1) and key(2) and key(3)

and key(4) and key(5) and key(6) and key(7);

P5:process(fnq ,star)

BEGIN

IF star=’0’ then

temp <=“0000”;

e lsif(fnq’event and fnq =‘1’) then

temp < =temp (27 downto 0) &dat;

end if;