基于VHDL的矩陣鍵盤(pán)及顯示電路設(shè)計(jì)

FPGA/CPLD在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，影響到了生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。在FPGA/CPLD的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，VHDL語(yǔ)言作為一種主流的硬件描述語(yǔ)言，具有設(shè)計(jì)效率高，可靠性好，易讀易懂等諸多優(yōu)點(diǎn)。作為一種功能強(qiáng)大的FPGA/CPLD數(shù)字系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境，Altera公司推出的Quar-tUSⅡ，為設(shè)計(jì)者提供了一種與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使設(shè)計(jì)者能方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、快速處理和器件編程，為使用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行FPGA/-CPLD設(shè)計(jì)提供了極大的便利。矩陣鍵盤(pán)作為一種常用的數(shù)據(jù)輸入設(shè)備，在各種電子設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)用，通過(guò)7段數(shù)碼管將按鍵數(shù)值進(jìn)行顯示也是一種常用的數(shù)據(jù)顯示方式。在設(shè)計(jì)機(jī)械式矩陣鍵盤(pán)控制電路時(shí)，按鍵防抖和按鍵數(shù)據(jù)的譯碼顯示是兩個(gè)重要方面。本文在QuartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境下，采用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一種按鍵防抖并能連續(xù)記錄并顯示8次按鍵數(shù)值的矩陣鍵盤(pán)及顯示電路。

 1 矩陣鍵盤(pán)及顯示電路設(shè)計(jì)思路

矩陣鍵盤(pán)及顯示電路能夠?qū)C(jī)械式4×4矩陣鍵盤(pán)的按鍵值依次顯示到8個(gè)7段數(shù)碼管上，每次新的按鍵值顯示在最右端的第O號(hào)數(shù)碼管上，原有第0～6號(hào)數(shù)碼管顯示的數(shù)值整體左移到第1～7號(hào)數(shù)碼管上顯示，見(jiàn)圖1。總體而言，矩陣鍵盤(pán)及顯示電路的設(shè)計(jì)可分為4個(gè)部分：

(1)矩陣鍵盤(pán)的行及列的掃描控制和譯碼。該設(shè)計(jì)所使用的鍵盤(pán)是通過(guò)將列掃描信號(hào)作為輸入信號(hào)，控制行掃描信號(hào)輸出，然后根據(jù)行及列的掃描結(jié)果進(jìn)行譯碼。

(2)機(jī)械式按鍵的防抖設(shè)計(jì)。由于機(jī)械式按鍵在按下和彈起的過(guò)程中均有5～10 ms的信號(hào)抖動(dòng)時(shí)間，在信號(hào)抖動(dòng)時(shí)間內(nèi)無(wú)法有效判斷按鍵值，因此按鍵的防抖設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的，也是該設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。

(3)按鍵數(shù)值的移位寄存。由于該設(shè)計(jì)需要在8個(gè)數(shù)碼管上依次顯示前后共8次按鍵的數(shù)值，因此對(duì)已有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用也是該設(shè)計(jì)的重點(diǎn)所在。

(4)數(shù)碼管的掃描和譯碼顯示。由于該設(shè)計(jì)使用了8個(gè)數(shù)碼管，因此需要對(duì)每個(gè)數(shù)碼管進(jìn)行掃描控制，并根據(jù)按鍵值對(duì)每個(gè)數(shù)碼管進(jìn)行7段數(shù)碼管的譯碼顯示。

2 矩陣鍵盤(pán)及顯示電路的實(shí)現(xiàn)

本文所設(shè)計(jì)的矩陣鍵盤(pán)及顯示電路的電路符號(hào)如圖2所示。其中，clk為時(shí)鐘信號(hào)輸入端(頻率可為1 024～32 768Hz);start為清零控制端;kbrow為列掃描信號(hào)輸入端;kbeol為行掃描信號(hào)輸出端;scan為數(shù)碼管地址掃描信號(hào)輸出端;seg7為數(shù)碼管顯示信號(hào)輸出端。　　　

值得注意的是，本文設(shè)計(jì)的矩陣鍵盤(pán)及顯示電路在按鍵防抖和數(shù)據(jù)寄存部分設(shè)計(jì)得更加簡(jiǎn)潔可靠，實(shí)現(xiàn)的功能更加強(qiáng)大，其具有如下特點(diǎn)：

(1)為了實(shí)現(xiàn)按鍵防抖，本文采用對(duì)按鍵狀態(tài)連續(xù)記錄的方式，即在按鍵彈起后連續(xù)8個(gè)時(shí)鐘周期均無(wú)按鍵信號(hào)才確認(rèn)1次按鍵有效，從而避免了按鍵按下和彈起過(guò)程中的數(shù)據(jù)抖動(dòng)，相比于使用計(jì)數(shù)器從按鍵按下開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到5～10 ms后才讓按鍵有效的防抖方式，這里設(shè)計(jì)的按鍵防抖更加可靠，且可有效避免長(zhǎng)時(shí)間按下按鍵產(chǎn)生的重復(fù)數(shù)據(jù)輸出，使每次按鍵無(wú)論時(shí)間長(zhǎng)短均可且只會(huì)產(chǎn)生1次數(shù)據(jù)輸出。另外，當(dāng)電路采用32 768 Hz以上的時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，可以通過(guò)增加按鍵狀態(tài)連續(xù)記錄的時(shí)鐘周期數(shù)，實(shí)現(xiàn)可靠的防抖。 

(2)該設(shè)計(jì)采用一個(gè)32位一維數(shù)組temp作為數(shù)據(jù)寄存器，使用移位寄存方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)連續(xù)8次按鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用，從而可以在8個(gè)數(shù)碼管上連續(xù)顯示數(shù)據(jù)。

3 仿真結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)的矩陣鍵盤(pán)及顯示電路在QliartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。其中，按鍵防抖功能的仿真波形如圖3所示。仿真結(jié)果分析如下：

(1)clk為時(shí)鐘輸入信號(hào)，作為系統(tǒng)時(shí)鐘;

(2)start為清零控制端，當(dāng)其為高電平時(shí)，按鍵有效;

(3)kbrow為列掃輸入信號(hào)，kbcol為行掃輸出信號(hào)，圖3中對(duì)kbrow[1]的輸入波形進(jìn)行設(shè)置，模擬了“A”鍵按下和彈起的過(guò)程;

(4)fnq為防抖控制信號(hào)，scan為數(shù)碼管地址掃描輸出，seg7為數(shù)碼管顯示輸出。由圖3可知，只有在按鍵彈起后，才有數(shù)據(jù)輸出，從而實(shí)現(xiàn)防抖功能。　　

該設(shè)計(jì)的其他功能也可以通過(guò)仿真驗(yàn)證，不再贅述。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)矩陣鍵盤(pán)及顯示電路在QuartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證后，下載到湖北眾友科技實(shí)業(yè)股份有限公司的ZYllEDAl3BE實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行了硬件驗(yàn)證。該實(shí)驗(yàn)箱使用ACEXlK系列EPlK30QC208芯片作為核心芯片。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)電路的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率在1 024～32 768 Hz范圍內(nèi)時(shí)，電路均可穩(wěn)定運(yùn)行，按鍵防抖可靠、功能完整。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率低于1 024 Hz時(shí)，需要減少防抖記錄時(shí)鐘周期的個(gè)數(shù)，否則容易錯(cuò)過(guò)短時(shí)按鍵動(dòng)作;當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率高于32 768 Hz時(shí)，需要增加防抖記錄時(shí)鐘周期的個(gè)數(shù)，以確保可靠的按鍵防抖。