軟件課程設(shè)計報告矩陣鍵盤控制接口電路設(shè)計

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計課 程 硬件課程設(shè)計 題 目 矩陣鍵盤控制接口電路設(shè)計 院 系 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 2011年 07月 10 日 東北石油大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程 硬件課程設(shè)計題目 矩陣鍵盤控制接口設(shè)計專業(yè) 姓名 學(xué)號 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等一、主要內(nèi)容：利用el教學(xué)實驗箱、微機和quartus軟件系統(tǒng)，設(shè)計并實現(xiàn)一個48鍵盤接口控制器。設(shè)計過程中使用層次設(shè)計方法和vhdl語言，完成硬件設(shè)計和功能仿真。最后下載到el教學(xué)實驗箱中予以實現(xiàn)。二、基本要求：1.按照層次設(shè)計方法實現(xiàn)鍵盤接口控制器中的時序產(chǎn)生電路、鍵盤掃描電路、彈跳消除電路、鍵盤譯碼電

2、路、按鍵碼存儲電路和顯示八段數(shù)碼管電路。2. 按下某一鍵時，在數(shù)碼管上顯示該鍵對應(yīng)的鍵值。 三、參考文獻：1 李國洪，胡輝.可編程器件與eda技術(shù)與實踐m.北京：機械工業(yè)出版社，2004.2 潘松，黃繼業(yè).eda技術(shù)實用教程m.北京：科學(xué)出版社，2002.3 王行，李衍.eda技術(shù)入門與提高m.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.4 徐惠民，安德寧.數(shù)字邏輯設(shè)計與vhdl描述m.北京：機械工業(yè)出版社，2008.完成期限： 18-19周 指導(dǎo)教師： 專業(yè)負責(zé)人： 2011年 06 月28 日目 錄第1章 eda的概述1第2章 quartus ii系統(tǒng)3第3章 矩陣鍵盤控制接口電路43.1 概

3、述43.2 底層實體電路63.3 頂層實體電路93.4 仿真結(jié)果163.5 硬件驗證結(jié)果17結(jié) 論20參考文獻21東北石油大學(xué)本科生硬件課程設(shè)計第1章 eda的概述eda是電子設(shè)計自動化（electronic design automation）的縮寫，在20世紀90年代初從計算機輔助設(shè)計（cad）、計算機輔助制造（cam）、計算機輔助測試（cat）和計算機輔助工程（cae）的概念發(fā)展而來的。電子設(shè)計自動化（eda）技術(shù)是電子設(shè)計技術(shù)和先進的電子制造技術(shù)的核心1。20世紀90年代，國際上電子和計算機技術(shù)較先進的國家，一直在積極探索新的電子電路設(shè)計方法，并在設(shè)計方法、工具等方面進行了徹底的變革，

4、取得了巨大成功。在電子技術(shù)設(shè)計領(lǐng)域，可編程邏輯器件（如cpld、fpga）的應(yīng)用，已得到廣泛的普及，這些器件為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計帶來了極大的靈活性。這些器件可以通過軟件編程而對其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，從而使得硬件的設(shè)計可以如同軟件設(shè)計那樣方便快捷。這一切極大地改變了傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法、設(shè)計過程和設(shè)計觀念，促進了eda技術(shù)的迅速發(fā)展2。eda技術(shù)就是以計算機為工具，設(shè)計者在eda軟件平臺上，用硬件描述語言hdl完成設(shè)計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。eda技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了電路設(shè)

5、計的效率和可操作性，減輕了設(shè)計者的勞動強度3。利用eda工具，電子設(shè)計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計算機完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、性能分析到設(shè)計出ic版圖或pcb版圖的整個過程的計算機上自動處理完成。隨著計算技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代電子設(shè)備中，單純用模擬電路實現(xiàn)的已經(jīng)很少見，通常只在微弱信號放大、高頻數(shù)據(jù)采集和大功率輸出等局部電路采用模擬電路，其余部分廣泛采用數(shù)字電路。因此，對大多數(shù)電子設(shè)備而言，其整體部分是數(shù)字系統(tǒng)4?，F(xiàn)在對eda的概念或范疇用得很寬。包括在機械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等各個領(lǐng)域，都有eda的應(yīng)用。目前e

6、da技術(shù)已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學(xué)部門廣泛使用。例如在飛機制造過程中，從設(shè)計、性能測試及特性分析直到飛行模擬，都可能涉及到eda技術(shù)。1.幾個有關(guān)eda的專題網(wǎng)站(1) eda中心 (2) eda中國門戶網(wǎng)站 (3) 中國eda工程網(wǎng) (4) eda愛好者 (5) eda教學(xué)與研究 2.設(shè)計方法(1) 前端設(shè)計(系統(tǒng)建模rtl 級描述)后端設(shè)計(fpgaasic)系統(tǒng)建模(2) ip 復(fù)用(3) 前端設(shè)計(4) 系統(tǒng)描述：建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。(5) 功能描述：描述系統(tǒng)的行為或各子模塊之間的數(shù)據(jù)流圖。(6) 邏輯設(shè)計：將系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)化，通常以文本、原理圖、邏輯圖、布爾表達式來表示設(shè)計結(jié)果

7、。(7) 仿真：包括功能仿真和時序仿真，主要驗證系統(tǒng)功能的正確性及時序特性。3.eda工具軟件eda工具軟件可大致可分為芯片設(shè)計輔助軟件、可編程芯片輔助設(shè)計軟件、系統(tǒng)設(shè)計輔助軟件等三類。目前進入我國并具有廣泛影響的eda軟件是系統(tǒng)設(shè)計軟件輔助類和可編程芯片輔助設(shè)計軟件：protel、pspice、multisim7(原ewb的最新版本)、orcad、pcad、lsiiogic、microsim，ise，modelsim等等。這些工具都有較強的功能，一般可用于幾個方面，例如很多軟件都可以進行電路設(shè)計與仿真，同進還可以進行pcb自動布局布線，可輸出多種網(wǎng)表文件與第三方軟件接口。eda工具軟件廠商三

8、巨頭：synopsys、mentor graphics、cadence。第2章 quartus ii系統(tǒng)quartus ii 是altera公司的綜合性pld開發(fā)軟件，支持原理圖、vhdl、veriloghdl以及ahdl（altera hardware description language）等多種設(shè)計輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整pld設(shè)計流程5。 quartus ii可以在xp、linux以及unix上使用，除了可以使用tcl腳本完成設(shè)計流程外，提供了完善的用戶圖形界面設(shè)計方式。具有運行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點。 quartu

9、s ii支持altera的ip核，包含了lpm/megafunction宏功能模塊庫，使用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設(shè)計的復(fù)雜性、加快了設(shè)計速度。對第三方eda工具的良好支持也使用戶可以在設(shè)計流程的各個階段使用熟悉的第三方eda工具。 此外，quartus ii 通過和dsp builder工具與matlab/simulink相結(jié)合，可以方便地實現(xiàn)各種dsp應(yīng)用系統(tǒng)；支持altera的片上可編程系統(tǒng)（sopc）開發(fā)，集系統(tǒng)級設(shè)計、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設(shè)計于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺。 maxplus ii 作為altera的上一代pld設(shè)計軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應(yīng)

10、用。目前altera已經(jīng)停止了對maxplus ii 的更新支持，quartus ii 與之相比不僅僅是支持器件類型的豐富和圖形界面的改變。altera在quartus ii 中包含了許多諸如signaltap ii、chip editor和rtl viewer的設(shè)計輔助工具，集成了sopc和hardcopy設(shè)計流程，并且繼承了maxplus ii 友好的圖形界面及簡便的使用方法6。 altera quartus ii 作為一種可編程邏輯的設(shè)計環(huán)境, 由于其強大的設(shè)計能力和直觀易用的接口，越來越受到數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計者的歡迎。 altera的quartus ii可編程邏輯軟件屬于第四代pld開發(fā)平臺

11、。該平臺支持一個工作組環(huán)境下的設(shè)計要求，其中包括支持基于internet的協(xié)作設(shè)計。quartus平臺與cadence、exemplarlogic、 mentorgraphics、synopsys和synplicity等eda供應(yīng)商的開發(fā)工具相兼容。改進了軟件的logiclock模塊設(shè)計功能，增添 了fastfit編譯選項，推進了網(wǎng)絡(luò)編輯性能，而且提升了調(diào)試能力。第3章 矩陣鍵盤控制接口電路3.1 概述在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少i/o口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口就可以構(gòu)成4*4=16個按

12、鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識別也要復(fù)雜一些，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的fpga的i/o口作為輸出端，而列線所接的i/o口則作為輸入。這樣，當按鍵沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。實驗儀器中48矩陣鍵盤的電路原理圖如圖3-1所示：圖3-1 48矩陣鍵盤的電

13、路原理圖表3-1 鍵盤參數(shù)表sel2sel0kin3kin0對應(yīng)的按鍵鍵盤譯 碼輸出按鍵功能0001110000000數(shù)字01101600100數(shù)字61011last10100功能鍵0111ctrl11000功能鍵0011110100001數(shù)字11101700111數(shù)字71011step10101功能鍵0111empty111010擴展10101110200010數(shù)字21101reg10010功能鍵1011c01100字母c0111empty211011擴展20111110300011數(shù)字31101exec10011功能鍵1011d01101字母d0111empty311100擴展310011

14、10mem10000功能鍵1101801000數(shù)字81011e01110字母e0111empty411101擴展41011110esc10001功能鍵1101901001數(shù)字91011f01111字母f0111shift11001功能鍵1101110400100數(shù)字41101a01010字母a1011next10110功能鍵0111none11110無定義1111110500101數(shù)字51101b01011字母b1011enter10111功能鍵0111none11110無定義掃描信號為bcom8.1，在bcom8.1前已接有一個3-8譯碼器，3-8譯碼器的輸入為sel0sel3。當3-8譯碼

15、器的輸入為“000”時，即bcom1為0，其他位為1，我們按下第一排第一鍵，此時kin0輸出0，kin1kin3輸出全為1，按下第二排第二鍵時，kin1輸出0，其他輸出1；當3-8譯碼器輸入為001時，即bcom2為0，我們按下第一排第二鍵，此時kin0輸出0，kin1kin3輸出全為1，同理其他鍵依此類推。鍵盤上的每個按鍵就是一個開關(guān)，當某鍵被按下時，該按鍵的接點會呈現(xiàn)0狀態(tài)，反之為1。掃描信號為sel2.0進入3-8譯碼器，再從譯碼器輸出到鍵盤，所以第一次只能掃描一排，依此周而復(fù)始。按鍵位置與數(shù)碼的關(guān)系如表3-1所示。若從kin3.0輸出的皆為1時，表示沒有按鍵按下，代表該列沒有按鍵被按下

16、，則不進行按鍵編碼的操作，反之，如果有被按下時，則應(yīng)將kin3.0讀出的值送到譯碼電路進行編碼。設(shè)置掃描信號為sel2sel0，列線按鍵輸入信號kin3kin0與按鍵位置的關(guān)系如表3-1所示。3.2 底層實體電路彈跳消除電路因為按鍵大多是機械式開關(guān)結(jié)構(gòu)，在開關(guān)切換的瞬間會在接觸點出現(xiàn)來回彈跳的現(xiàn)象，對于激活關(guān)閉一般電器并不會有何影響，但對于靈敏度較高的電路，卻有可能產(chǎn)生誤動作而出錯。彈跳現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可從圖3-2說明。雖然只是按下按鍵一次然后放掉，然而實際產(chǎn)生的按鍵信號卻不只跳動一次，經(jīng)過取樣的檢查后將會造成誤判，以為按鍵兩次。如果調(diào)整抽樣頻率，可以發(fā)現(xiàn)彈跳現(xiàn)象獲得了改善，如圖3-3所示。因此

17、必須加上彈跳消除電路，避免誤操作信號的發(fā)生。注意，彈跳消除電路所使用脈沖信號的頻率必須比其它電路使用的脈沖信號的頻率更高；通常將掃描電路或led顯示電路的工作頻率定在24hz左右，兩者的工作頻率是通常的4倍或更高。按鍵信號抽樣信號抽樣結(jié)果圖3-2 彈跳現(xiàn)象產(chǎn)生錯誤的抽樣結(jié)果按鍵信號抽樣信號抽樣結(jié)果圖3-3 調(diào)整抽樣頻率后得到的抽樣結(jié)果該元件為一個通用的全功能的消抖動元件，內(nèi)含有自由計數(shù)器模塊、消抖動模塊和微分模塊。各引腳說明如下：key為按鍵輸入信號，高電平有效，有抖動毛刺；clr是清零信號，低電平有效；clk是同步時鐘信號，選擇20mhz；dly_out是消抖動輸出；diff_out是消抖動

18、微分輸出。library ieee; -消除use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity debouncing isport(clk,key:in std_logic; clr:in std_logic; dly_out,dif_out:out std_logic);end debouncing;architecture a of debouncing is signal sample,dly,diff:std_logic; beginfree_counter:block -計數(shù)器模塊 signal qq:

19、std_logic_vector(4 downto 0); signal d0:std_logic; begin process(clr,clk) begin if clr=0then d0=0; qq0); elsif clkevent and clk=1then d0=qq(4); qq=qq+1; end if; end process; sample=not(qq(4) and (not d0);end block free_counter;debunce:block -消抖動模塊 signal d0,d1,s,r:std_logic;begin process(clk,clr) be

20、gin if clr=0 then dly=0; elsif rising_edge(clk) then if sample=1 then d1=d0; d0=key; s=d0 and d1; r=not d0 and not d1; if s=0 and r=0 then dly=dly; elsif s=0 and r=1 then dly=0; elsif s=1 and r=0 then dly=1; else dly=0; end if; end if; end if; end process; dly_out=dly;end block debunce;differential:

21、block -微分模塊 signal d1,d0:std_logic; begin process(clk,clr) begin if clr=0then d0=0;d1=0; elsif rising_edge(clk)then d1=d0;d0=dly; end if; diff=d0 and not d1; end process; dif_out=diff;end block differential;end a;彈跳消除電路生成元件：圖3-4 彈跳消除電路生成元件3.3 頂層實體電路1、 時鐘產(chǎn)生電路當一個系統(tǒng)中使用不同操作頻率的脈沖波形時，最方便的方法就是利用一個自由計數(shù)器來產(chǎn)生各

22、種頻率。本電路中就使用三種不同頻率的工作脈沖波形。它們分別是：系統(tǒng)時鐘（它是系統(tǒng)內(nèi)部所有時鐘的提供者，頻率最高）、彈跳消除取樣信號、鍵盤掃描信號和七段顯示器掃描信號。在很多的電路設(shè)計中，鍵盤掃描信號和七段顯示器掃描信號可以使用相同的時鐘信號，本設(shè)計也采用此方法。該模塊中的掃描信號就是取了計數(shù)器中的3個值，使用語句： seltmp=q(7 downto 5);此處seltmp要預(yù)先定義為3bit的寬度。2、 鍵盤掃描電路掃描電路的作用是用來提供鍵盤掃描信號的電路，掃描信號的變化的順序依次為000-001-010-011-100-101-110-111依次的周而復(fù)始。掃描時依序分別掃描八列按鍵，當

23、掃描信號為000時，掃描0這一列按鍵每掃描一列按鍵，就檢查一次是否有按鍵按下，如果這排有按鍵按下，就馬上停止掃描，立即進行按鍵編碼動作，存儲鍵碼，如果沒有按鍵按下，則繼續(xù)掃描下一列。用語句seltmp=q(7 downto 5); selout=seltmp;即可實現(xiàn)鍵盤掃描。3、 鍵盤譯碼電路上述鍵盤中的按鍵可分為數(shù)字鍵和功能鍵。數(shù)字鍵主要用來輸入數(shù)字，但鍵盤所產(chǎn)生的輸出kin3kin0無法拿來直接使用；另外不同的數(shù)字按鍵也擔負不同的功能，因此必須由鍵盤譯碼電路來規(guī)劃第個按鍵的輸出形式，以便執(zhí)行相應(yīng)的動作。譯碼電路負責(zé)的工作有：a)判別是否有鍵按下。b)將被按下鍵編碼成對應(yīng)的zout7.08

24、位二進制編碼，即用十進制數(shù)來顯示按鍵值：key_code=zout;c)把key_code送到內(nèi)部下一級電路，即按鍵碼的寄存器_選擇器模塊。4、 按鍵碼存儲電路因為每次掃描會產(chǎn)生新的按鍵數(shù)據(jù)，可能會覆蓋前面的數(shù)據(jù)，所以需要一個按鍵存儲電路，將整個鍵盤掃描完畢后記錄下來。5、 顯示電路該模塊把db3.0的值譯成8位的數(shù)碼管所對應(yīng)的0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，使數(shù)碼管正常顯示按鍵值。library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all; use ieee.std_logic_unsigned.al

25、l;entity keys_test isport(clk20,clr:in std_logic; selout:out std_logic_vector(2 downto 0); notselout_0:out std_logic; key:in std_logic_vector(3 downto 0); segout:out std_logic_vector(7 downto 0);end keys_test; architecture a of keys_test iscomponent debouncing -鍵盤掃描模塊 port(key:in std_logic; clk,clr:

26、in std_logic; dly_out:out std_logic);end component; signal clk,clk1,clk2,clk4:std_logic; signal seltmp:std_logic_vector(2 downto 0); signal key_code:std_logic_vector(7 downto 0); signal c:std_logic_vector(3 downto 0); signal db,key_in:std_logic_vector(3 downto 0); signal seg:std_logic_vector(7 downt

27、o 0);begin segout(7 downto 0)=seg; selout=seltmp; notselout_0=not seltmp(0); key_in=not key;fenpin:block signal m:integer range 0 to 10#5#; begin process(clk20) begin if clk20event and clk20=1then if m=10#5# then m=0; else m=m+1; end if; end if; end process; process(m) begin if m=10#5# then clk4=1;

28、else clk4=0; end if; end process; end block fenpin;counter:block -時鐘產(chǎn)生電路 signal q:std_logic_vector(10 downto 0); begin process(clk4,clr) begin if clr=0 then q0); elsif clk4event and clk4=1 then q=q+1; end if;end process; clk=q(0); clk1=q(2); clk2=q(4); seltmpkey_in(0), dly_out=c(0),clr=clr,clk=clk);

29、 u2:debouncing port map(key=key_in(1), dly_out=c(1),clr=clr,clk=clk); u3:debouncing port map(key=key_in(2), dly_out=c(2),clr=clr,clk=clk); u4:debouncing port map(key=key_in(3),dly_out=c(3),clr=clr,clk=clk);end block debounuing;key_decoder:block -鍵盤譯碼電路 signal z:std_logic_vector(6 downto 0); signal z

30、out:std_logic_vector(7 downto 0); beginz=(not c)&seltmp; key_code=zout; -用十進制數(shù)顯示 process(clk1,clr) beginif clr=0 then zout0);elsif clk1event and clk1=1 thencase z iswhen1110000=zoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzoutzou

31、tzoutzout=11111111;end case;end if;end process;end block key_decoder;reg_multiplexer:block -按鍵碼的存儲模塊signal key_code1:std_logic_vector(7 downto 0);beginprocess(clk2,clr)begin if clr=0 then key_code10); elsif(clk2event and clk2=1)then if(key_code=11111111) then key_code1=key_code1; else key_code1=key_

32、code; end if; end if;end process;db=key_code1(3 downto 0)when(seltmp(0)=0)else key_code1(7 downto 4)when(seltmp(0)=1)else 0000;end block reg_multiplexer;seven_segment:block -顯示模塊 begin seg=00111111 when db=0000 else 00000110 when db=0001 else 01011011 when db=0010 else 01001111 when db=0011 else 011

33、00110 when db=0100 else 01101101 when db=0101 else 01111101 when db=0110 else 00000111 when db=0111 else 01111111 when db=1000 else 01101111 when db=1001 else 01110111 when db=1010 else 01111100 when db=1011 else 00111001 when db=1100 else 01011110 when db=1101 else 01111001 when db=1110 else 011100

34、01 when db=1111 else 00000000; end block seven_segment; end a;頂層實體電路生成元件：圖3-5 頂層實體電路生成元件3.4 仿真結(jié)果在軟件平臺的錄入設(shè)計中，應(yīng)當先錄入底層debouncing.vhd設(shè)計文本，并把它設(shè)為當前的工程項目，經(jīng)編譯、仿真，得到仿真波形圖后，退出debouncing.vhd文本；再錄入頂層文本key_test.vhd,并把它設(shè)為當前的工程項目，經(jīng)編譯、仿真，得到仿真波形圖。彈跳消除電路設(shè)計實體仿真波形如圖3-6和3-7所示： 圖3-6 彈跳消除電路設(shè)計實體原始波形圖圖3-7 彈跳消除電路設(shè)計實體仿真波形圖頂層設(shè)計實體仿真波形如圖3-8和3-9所示：圖3-8 頂層設(shè)計實體原始波形圖圖3-9 頂層設(shè)計實體仿真波形圖3.5 硬件驗證結(jié)果將實驗箱與微機和電源分別連接好。首先檢測試驗箱是否可以使用，經(jīng)檢測無誤后，開通電源。根據(jù)引腳的鎖定情況，將clk20時鐘接20mhz時鐘輸入，key3.0分別接實驗儀器的鍵盤輸出kin3.0，selout2.0分別接實驗儀器的掃描輸入sel2.0，segout7.0分別接7段顯示器輸入dpa，如圖3-10所示。即把芯片與5行6列薄膜輕觸按鍵