实验07：4X4键盘阵列扫描输入.pdf

键盘阵列扫描输入

一、实验目的

1. 进一步学习并掌握Quartus II设计的方法及步骤；

2. 熟悉VHDL语言电路设计方法；

3. 熟悉EACF型FPGA开发板，参见6.1节；

4. 学习并掌握利用VHDL描述并设计电路的方法及步骤；

5. 学习并掌握键盘阵列的扫描输入的方法及实现过程。

二、实验原理

键盘阵列是一个由4×4的按键开关组成的阵列，可实现16种状态的输入。4×4按键阵列的硬件连接原理如下图所示。

4X4键盘阵列

其中VCC3.3为3.3V的正电源；BUTTON为4×4共16个按键,R为电阻。而K_H_1、K_H_2、K_H_3、K_H_4为4×4按键阵列连接到FPGA通用IO引脚的行信号；K_V_1、K_V_2、K_V_3、K_V_4为4×4按键阵列连接到FPGA通用IO引脚的列信号，如下图所示。

键盘阵列与FPGA的连接

另外，连接到FPGA的行列信号圴为3.3V的LVTTL电平标准：即电压小于0.8V为低电平，高于2.0V为高电平。通过上述4×4按键阵列的硬件连接原理图可看出，行和列信号都通过10K的电阻上拉到3.3V的电源，也就是说如果FPGA通过对应的IO引脚来读取4×4按键阵列的行和列信号，得到的全部为高电平“1”，即使按键按下时，读到的依然是高电平“1”。那么如何在FPGA中判断4×4按键阵列中的哪个键按下呢？当然我们要实现按键输入的功能，就不能全部读取行和列的信号。而应通过不断地输出扫描行（或列），再通过读取列（或行）的信号来判断哪个按键按下。即：

通过对4×4键盘阵列的4个行（或列）控制信号循环输出”1110、1101、1011、0111”，来驱动键盘阵列，紧接着读取相应的4个列（或行）信号。通过读取的数据或状态来判断16个按键中哪个键被按下，并对其状态做编码输出。此电路不停的工作，以便实时准确地获取键盘的输入状态，以供其它电路使用，从而实现了键盘阵列的扫描输入。如：当行驱动信号输出“1110”（信号排列顺序：H1、H2、H3、H4）时，下一周期读取列信号为“0111”（信号排列顺序：V1、V2、V3、V4）,则可判断按键B13按下。

VHDL电路设计的框图如下所示。

(或列)扫描输出4(或行)扫描输入

注意上图中扫描输出与扫描输入的时间关系。

如果此实验在“七段数码管动态显示电路设计”实验后做，则必须用数码管来显示按键的编码输出，否则可用发光二极管来显示。

三、实验内容

分析4×4按键阵列的原理，用VHDL设计输入方式完成键盘扫描电路，并完成仿真、硬件验证等FPGA设计过程和验证方式。

四、实验报告

按要求写出实验内容及结果并进行分析。

实验参考资料及文档：

【1】实验07：4X4键盘阵列扫描输入.pdf，实验室内部资料，实验讲义。

【2】EDA实验室EACF型实验板_原理图.pdf ，实验室内部资料，实验箱原理图。

【3】EDA实验室EACF型实验板_管脚对应表.pdf，实验室内部资料，实验讲义。

【4】《电子系统设计基础》，中国科学技术大学出版社，梁晓雯等。