基于FPGA的多按键状态识别系统设计

1、    基于FPGA的多按键状态识别系统设计1引言按键作为普通的输入外设，在仪器仪表工业设备和家用电器中得到广泛应用。目前，按键输入电路主要有2种：一种是非扫描方式可以判断多键状态(允许多键同时动作)，但是不适用于大量按键情况，所需I/0端口多；另一种是扫描阵列方式，适用于大量按键，但不能多键同时动作。因此，需要开发一种既适合大量按键又适合多键同时动作，并能节省单片机(MCU)的口线资源的多按键状态识别系统。这里提出一种利用FPGA的I/0端口数多和可编程1 引言    按键作为普通的输入外设，在仪器仪表工业设备和家用电器中

2、得到广泛应用。目前，按键输入电路主要有2种：一种是非扫描方式可以判断多键状态(允许多键同时动作)，但是不适用于大量按键情况，所需I/0端口多；另一种是扫描阵列方式，适用于大量按键，但不能多键同时动作。因此，需要开发一种既适合大量按键又适合多键同时动作，并能节省单片机(MCU)的口线资源的多按键状态识别系统。这里提出一种利用FPGA的I/0端口数多和可编程的特点，采用VHDL语言的多按键状态识别系统，实现识别60个按键自由操作，并简化MCU的控制信号。2 系统设计方案    FPGA是一种可编程逻辑器件，它具有良好性能、极高的密度和极大的灵活性，外围电路简单可靠等特

3、性。因此，该系统设计是由MCU、FPGA、按键等部分组成。60路按键信号进入FPGA单元，以供数据采集；FPGA处理采集到的数据信号，编码后写入内部FIFO。MCU通过IO端口提取FIFO中的数据。模块通过电源接口向各个部分供电。其系统设计原理框图如图l所示。21 FPGA配置电路    FPGA采用Altera公司EPF10K30ATC144，该器件内核采用3.3 V供电，端口电压为33V可承受5 V输入高电平，其工作频率高达100MHz；有102个可用I0端口，每个端口输入电流最高达25 mA，输出电流达25 mA；l728个逻辑单元(Les)，12288 b

4、it的用户Flash存储器，可满足用户小容量信息存储，完全满足系统设计要求。    由于FPGA基于RAM工艺技术，该器件丁作前需要从外部加载配置数据，需要一个外置存储器保存信息，采用可编程的串行配置器件EPC2其供电电压为33 V。OE和nCS引脚具有内部用户可配置上拉电阻。FPGA的DCLK、DATA0、nCONFIG引脚信号均来自EPC2。系统上电后，首先FPGA初始化，nSTATUS、CONF_DONE置为低电平。nSTATUS置为低电平后复位，此时EPC2的nCE为低电平，因此选取EPC2，从而数据流从DATA引脚输入到FPGA的DATAO引脚。配置完成

5、后，FPGA将CONF_DONE置为高电平，而EPC2将DATA引脚置为高阻态。其FPGA配置电路如图2所示。22 按键电路    图3为一路按键电路，共60个按键(i=160)。由于外界环境复杂，按键引线长达6 m，保护二极管VDi：在外界干扰信号大于VCC时导通起到保护FPGA的作用。电阻Ri上拉限流，按键未闭合状态下FPGA输入引脚始终处于高电平。3 FPGA内部逻辑设计FPGA内部功能分为扫描模块、编码模块、控制模块以及同步FIFO RAM模块，如图4所示。    图4中，K1K60为60个按键的输入端，Scan为工作模式选择

6、信号，Ready为读准备好信号，RdClk为读时钟信号，Data7：0为数据输出，ModCtr为编码模式控制信号，FIFOWEn为FIFO RAM写使能信号，FIFOIn为FIFO RAM数据输入，State为按键状态扫描信号。其工作原理为：扫描模块周期扫描按键状态，其结果送入编码模块；编码模块根据模式控制信号ModCtr选择编码方式编码，将其结果送入FIFO RAM；控制模块产生对FIFO RAM的读取控制信号；MCU可通过Readv、RdClk控制信号读取Data7：0数据线上的按键编号和状态数据。31 扫描模块    扫描模块主要完成扫描按键状态输入和按键的软件去抖动。扫描按键状态输入是以5 m8为周期扫描60个输入引脚，将其结果存入60个两位状态移位寄存器。其代码为：    按键去抖有硬件和软件2种实现方式。为了节