FPGA的键盘扫描模块的设计与实现

1、【Word版本下载可任意编辑】 FPGA的键盘扫描模块的设计与实现 在电子产品中，键盘是基本的输入设备，然而在应用中都采用通用的键盘扫描器件是不现实的，需要单独设计成专用的小键盘。现代EDA(电子设计自动化)技术提供了一种很好的途径,利用VHDL硬件描述语言和FPGA器件可以很方便地构建键盘扫描模块。经过实际操作检验,该模块可以很好地对每按键动作开展扫描和响应，实现预先设计的功能。 1 概述 1.1 通用键盘和专用键盘 在现代个人计算机系统中，一般都采用通用的标准键盘(如：标准101/102键盘或Microsoft自然PS/2键盘)来实现人与计算机之间的接*互,所需要的各种数据和指令等信息都通

2、过键盘来输入计算机。 但是，在各种嵌入式系统(如手机、微波炉、电风扇等)中，所需要的键盘按键个数非常有限,通常为几个到十几个不等(而标准键盘通常为一百多个按键)，并且每个按键所代表的功能含义也各不相同。所以，针对每一种嵌入式系统都应对键盘(包括键盘扫描模块和相关控制信号等)开展专门设计,结合工程实际情况充分利用该系统已有的各种资源，使所设计的键盘恰如其分地融合到嵌入式系统中，成为其不可分割的一部分。 1.2 编 码键盘和扫描键盘 在数字电路中，可以利用编码器实现按键键值的直接编码。将每个按键的输出信号对应连接到编码器的每个输入端，通过编码逻辑就可以在编码器的输出端得到对应每个按键的码值，早期称

3、这种键盘为编码键盘。但是，当按键较多时数码逻辑的成本较高，直接编码的方法也不够灵括，一旦编码逻辑固定就难以更改。 在通用键盘上或当按键数量较多时，普遍采用扫描方式产生键值。将按键连接成矩阵，每个按键位于某行、某列的交点上，如图1所示，先通过扫描方式确定按下键的行和列位，即位置码或扫描码。再查表将位置码转换为按键码值或者直接使用扫描码，有些参考书称此为“非编码键盘”。但这种名称容易让人误解为没有对应的键值，因此又称为扫描式键盘。 1.3 硬件扫描键盘与软件扫描键盘 如果执行扫描的过程由硬件逻辑实现，则这种键盘称为硬件扫描键盘或电子扫描式编码键盘。在执行键盘扫描时应注意将键在闭合过程中往往会有一些

4、难以防止的机械性抖动，使输出信号也发生抖动，通常达10 ms20 ms宽。若不避开抖动区，则可能误认为多次按键。因此应该设置硬件延时电路，延迟数十毫秒后才读取键值，这种电路称为去抖电路。还应注意当前一个键值还未送出又有按键按下时，后边的键值将覆盖前边的键值，从而造成丢失。通常可以设置一个控制信号，使前一键值送出后才允许产生后一键值，或者设置一组存放器保存前边若干个键值，等待系统逐个按序处理。 硬件扫描键盘的优点是不需要主机担负扫描任务，仅当产生键值后才向主机发出中断请求，CPU以相应中断方式接收按键键值，或者CPU定时从某个地址获取按键键值。这种方式大大减轻了CPU的运行负荷，使其有更多的时间

5、段去运行其他应用程序。 当然也可以执行键盘扫描程序，由CPU通过软件方法对键盘开展扫描，键盘扫描程序的流程如图2所示。这种键盘被称为软件扫描键盘。按键时，键盘向主机提出中断请求，由软件扫描键盘获得按键键值，或者由CPU定期执行键盘扫描程序，从而获得按键键值，这种扫描方法被称为逐行扫描法，当有键按下时首先获得此键的列值，然后逐行扫描就可以判断按键所在的行值，由行、列值转换到按键键值。当然，可以在执行键盘扫描的过程中参加一定的延时，以去除抖动所带来的影响。 图2 键盘扫描流程图 如果系统对CPU的运行速度要求较高，并且CPU的负荷较重，系统资源比较紧张，则可以在键盘中设置一个单片机，由单片机执行键

6、盘扫描程序，然后向CPU申请中断并送出扫描码或者键值。现代计算机的通用键盘大多采用这样的键盘扫描方法。 2 基于FPGA的实现方法 2.1 实现方法分析 根据项目的实际需要，拟实现的键盘扫描模块应具有如下特点： 该模块实时地将扫描所得的键值信息写入存储器指定地址，键值信息包括同一按键的重复次数和键值，系统软件定时从该地址读取键值信息以执行相应的操作。 键盘去抖动的方法是多次扫描法，当连续几次扫描到同一键值时就认为此键被按下，这样就完成了去抖动操作。 由于该项目不需要ASC字符编码按键，故将按键值设计为120直接送出。 为了能表示长时间按键的操作，当确定某一按键按下时，以后每隔一定时间才扫描，若

7、获得同一键值，则将按键重复次数加一，同时将重复次数和键值组合成键值信息送出；延迟一定时间后再次扫描。 2.2 FPGA具体实现 该设计采用4个模块来实现键盘扫描功能，分别为即时扫描模块、扫描控制模块、扫描脉冲模块和键值传送模块，如图3所示。 2.2.1 即时扫描模块 该模块完成键盘即时扫描功能，当检测到SCAN信号有一个窄脉冲到来时，模块内部将产生一组相应的KB_OUT信号输出到键盘矩阵，然后对KB_IN输入信号开展检测，以判断有无键被按下及哪个键被按下，并送出相应的即时键值VALUE。 2.2.2 扫描控制模块 该模块的功能是控制是否允许开展扫描及完成键盘去抖动等。在无键按下时.CTRL置高

8、电平允许扫描；当连续几次扫描到同一个按键时，则认为此键被按下(已经完成去抖动操作)。然后CTRL置低电平，禁止扫描并同时开始延时，当CNT到达某一数值时，重新开展扫描并再次延时，同时将按键重复次数和键值VALUE组合成KEYVALUES并输出。以此类推，直到无键按下或检测到其他的键值。 2.2.3 扫描脉冲模块 该模块的主要功能为产生扫描指示窄脉冲和扫描延时计数。当CTRL为高电平时，在每个CLK为50Hz的上升沿送出一个SCAN窄脉冲；当CTRL为低电平时，延时计数器开始计数，到达某一特定值时才送出扫描脉冲信号SCAN。 2.2.4 键值传送模块 该模块负责把键值信息写入存储器，供给用软件定时查询。当输入端KE YVALUES的值发生改变时，才会发起存储器写操作。 3 结束语 此模块用VHDL硬件描述语言来实现，经过功能、时序仿真后利用QUARTUS 软件开展编译并到Altera的CYCLONE 1C2