FPGA的鍵盤掃描模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 FPGA的鍵盤掃描模塊的設(shè)計與實現(xiàn) 在電子產(chǎn)品中，鍵盤是基本的輸入設(shè)備，然而在應(yīng)用中都采用通用的鍵盤掃描器件是不現(xiàn)實的，需要單獨設(shè)計成專用的小鍵盤?，F(xiàn)代EDA(電子設(shè)計自動化)技術(shù)提供了一種很好的途徑,利用VHDL硬件描述語言和FPGA器件可以很方便地構(gòu)建鍵盤掃描模塊。經(jīng)過實際操作檢驗,該模塊可以很好地對每按鍵動作開展掃描和響應(yīng)，實現(xiàn)預(yù)先設(shè)計的功能。 1 概述 1.1 通用鍵盤和專用鍵盤 在現(xiàn)代個人計算機系統(tǒng)中，一般都采用通用的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(如：標(biāo)準(zhǔn)101/102鍵盤或Microsoft自然PS/2鍵盤)來實現(xiàn)人與計算機之間的接*互,所需要的各種數(shù)據(jù)和指令等信息都通

2、過鍵盤來輸入計算機。 但是，在各種嵌入式系統(tǒng)(如手機、微波爐、電風(fēng)扇等)中，所需要的鍵盤按鍵個數(shù)非常有限,通常為幾個到十幾個不等(而標(biāo)準(zhǔn)鍵盤通常為一百多個按鍵)，并且每個按鍵所代表的功能含義也各不相同。所以，針對每一種嵌入式系統(tǒng)都應(yīng)對鍵盤(包括鍵盤掃描模塊和相關(guān)控制信號等)開展專門設(shè)計,結(jié)合工程實際情況充分利用該系統(tǒng)已有的各種資源，使所設(shè)計的鍵盤恰如其分地融合到嵌入式系統(tǒng)中，成為其不可分割的一部分。 1.2 編 碼鍵盤和掃描鍵盤 在數(shù)字電路中，可以利用編碼器實現(xiàn)按鍵鍵值的直接編碼。將每個按鍵的輸出信號對應(yīng)連接到編碼器的每個輸入端，通過編碼邏輯就可以在編碼器的輸出端得到對應(yīng)每個按鍵的碼值，早期稱

3、這種鍵盤為編碼鍵盤。但是，當(dāng)按鍵較多時數(shù)碼邏輯的成本較高，直接編碼的方法也不夠靈括，一旦編碼邏輯固定就難以更改。 在通用鍵盤上或當(dāng)按鍵數(shù)量較多時，普遍采用掃描方式產(chǎn)生鍵值。將按鍵連接成矩陣，每個按鍵位于某行、某列的交點上，如圖1所示，先通過掃描方式確定按下鍵的行和列位，即位置碼或掃描碼。再查表將位置碼轉(zhuǎn)換為按鍵碼值或者直接使用掃描碼，有些參考書稱此為“非編碼鍵盤”。但這種名稱容易讓人誤解為沒有對應(yīng)的鍵值，因此又稱為掃描式鍵盤。 1.3 硬件掃描鍵盤與軟件掃描鍵盤 如果執(zhí)行掃描的過程由硬件邏輯實現(xiàn)，則這種鍵盤稱為硬件掃描鍵盤或電子掃描式編碼鍵盤。在執(zhí)行鍵盤掃描時應(yīng)注意將鍵在閉合過程中往往會有一些

4、難以防止的機械性抖動，使輸出信號也發(fā)生抖動，通常達10 ms20 ms寬。若不避開抖動區(qū)，則可能誤認(rèn)為多次按鍵。因此應(yīng)該設(shè)置硬件延時電路，延遲數(shù)十毫秒后才讀取鍵值，這種電路稱為去抖電路。還應(yīng)注意當(dāng)前一個鍵值還未送出又有按鍵按下時，后邊的鍵值將覆蓋前邊的鍵值，從而造成丟失。通常可以設(shè)置一個控制信號，使前一鍵值送出后才允許產(chǎn)生后一鍵值，或者設(shè)置一組存放器保存前邊若干個鍵值，等待系統(tǒng)逐個按序處理。 硬件掃描鍵盤的優(yōu)點是不需要主機擔(dān)負(fù)掃描任務(wù)，僅當(dāng)產(chǎn)生鍵值后才向主機發(fā)出中斷請求，CPU以相應(yīng)中斷方式接收按鍵鍵值，或者CPU定時從某個地址獲取按鍵鍵值。這種方式大大減輕了CPU的運行負(fù)荷，使其有更多的時間

5、段去運行其他應(yīng)用程序。 當(dāng)然也可以執(zhí)行鍵盤掃描程序，由CPU通過軟件方法對鍵盤開展掃描，鍵盤掃描程序的流程如圖2所示。這種鍵盤被稱為軟件掃描鍵盤。按鍵時，鍵盤向主機提出中斷請求，由軟件掃描鍵盤獲得按鍵鍵值，或者由CPU定期執(zhí)行鍵盤掃描程序，從而獲得按鍵鍵值，這種掃描方法被稱為逐行掃描法，當(dāng)有鍵按下時首先獲得此鍵的列值，然后逐行掃描就可以判斷按鍵所在的行值，由行、列值轉(zhuǎn)換到按鍵鍵值。當(dāng)然，可以在執(zhí)行鍵盤掃描的過程中參加一定的延時，以去除抖動所帶來的影響。 圖2 鍵盤掃描流程圖 如果系統(tǒng)對CPU的運行速度要求較高，并且CPU的負(fù)荷較重，系統(tǒng)資源比較緊張，則可以在鍵盤中設(shè)置一個單片機，由單片機執(zhí)行鍵

6、盤掃描程序，然后向CPU申請中斷并送出掃描碼或者鍵值?，F(xiàn)代計算機的通用鍵盤大多采用這樣的鍵盤掃描方法。 2 基于FPGA的實現(xiàn)方法 2.1 實現(xiàn)方法分析 根據(jù)項目的實際需要，擬實現(xiàn)的鍵盤掃描模塊應(yīng)具有如下特點： 該模塊實時地將掃描所得的鍵值信息寫入存儲器指定地址，鍵值信息包括同一按鍵的重復(fù)次數(shù)和鍵值，系統(tǒng)軟件定時從該地址讀取鍵值信息以執(zhí)行相應(yīng)的操作。 鍵盤去抖動的方法是多次掃描法，當(dāng)連續(xù)幾次掃描到同一鍵值時就認(rèn)為此鍵被按下，這樣就完成了去抖動操作。 由于該項目不需要ASC字符編碼按鍵，故將按鍵值設(shè)計為120直接送出。 為了能表示長時間按鍵的操作，當(dāng)確定某一按鍵按下時，以后每隔一定時間才掃描，若

7、獲得同一鍵值，則將按鍵重復(fù)次數(shù)加一，同時將重復(fù)次數(shù)和鍵值組合成鍵值信息送出；延遲一定時間后再次掃描。 2.2 FPGA具體實現(xiàn) 該設(shè)計采用4個模塊來實現(xiàn)鍵盤掃描功能，分別為即時掃描模塊、掃描控制模塊、掃描脈沖模塊和鍵值傳送模塊，如圖3所示。 2.2.1 即時掃描模塊 該模塊完成鍵盤即時掃描功能，當(dāng)檢測到SCAN信號有一個窄脈沖到來時，模塊內(nèi)部將產(chǎn)生一組相應(yīng)的KB_OUT信號輸出到鍵盤矩陣，然后對KB_IN輸入信號開展檢測，以判斷有無鍵被按下及哪個鍵被按下，并送出相應(yīng)的即時鍵值VALUE。 2.2.2 掃描控制模塊 該模塊的功能是控制是否允許開展掃描及完成鍵盤去抖動等。在無鍵按下時.CTRL置高

8、電平允許掃描；當(dāng)連續(xù)幾次掃描到同一個按鍵時，則認(rèn)為此鍵被按下(已經(jīng)完成去抖動操作)。然后CTRL置低電平，禁止掃描并同時開始延時，當(dāng)CNT到達某一數(shù)值時，重新開展掃描并再次延時，同時將按鍵重復(fù)次數(shù)和鍵值VALUE組合成KEYVALUES并輸出。以此類推，直到無鍵按下或檢測到其他的鍵值。 2.2.3 掃描脈沖模塊 該模塊的主要功能為產(chǎn)生掃描指示窄脈沖和掃描延時計數(shù)。當(dāng)CTRL為高電平時，在每個CLK為50Hz的上升沿送出一個SCAN窄脈沖；當(dāng)CTRL為低電平時，延時計數(shù)器開始計數(shù)，到達某一特定值時才送出掃描脈沖信號SCAN。 2.2.4 鍵值傳送模塊 該模塊負(fù)責(zé)把鍵值信息寫入存儲器，供給用軟件定時查詢。當(dāng)輸入端KE YVALUES的值發(fā)生改變時，才會發(fā)起存儲器寫操作。 3 結(jié)束語 此模塊用VHDL硬件描述語言來實現(xiàn)，經(jīng)過功能、時序仿真后利用QUARTUS 軟件開展編譯并到Altera的CYCLONE 1C2