verilog_矩阵键盘要点

1、、矩阵键盘显示电路设计（显示键盘值的平方） 矩阵键盘显示电路的设计 一、实验目的 1、了解普通4 X 4键盘扫描的原理。 2、进一步加深七段码管显示过程的理解。 3、了解对输入/输出端口的定义方法。 二、实验原理 实现键盘有两种方案：一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描；再就 是用软件实现键盘扫描。作为一个嵌入系统设计人员，总是会关心产品成 本。目前有很多芯片可以用来实现键盘扫描，但是键盘扫描的软件实现方 法有助于缩减一个系 统的重复开发成本，且只需要很少的 CPU开销。嵌 入式控制器的功能能强，可 能充分利用这一资源，这里就介绍一下软键盘 的实现方案。 VCC 图10-1 简单键盘电路 通常在

2、一个键盘中使用了一个瞬时接触开关， 并且用如图10-1所示 的简单电路，微处理器可以容易地检测到闭合。当开关打开时，通过处理器 的I/O 口的一个上拉电阻提供逻辑 1;当开关闭合时，处理器的/IO 口的 输入将被拉低得到逻辑 0。可遗憾的是，开关并不完善，因为当它们被按 下或者被释放时，并不能够产生一个明确的1或者0。尽管触点可能看起来 稳定而且很快地闭合，但与微处理器快速的运行速度相比，这种动作是比 较慢的。当触点闭合时，其弹起就像一个球。弹起效果将产生如图10-2所示 的好几个脉冲。弹起的持续时间通常将维 持在5ms0ms之间。如果需要多 个键，则可以将每个开关连接到微处理器上它自己的输入

3、端口。然而，当 开关的数目增加时，这种方法将很快使用完所有的输入端口。 1 | | o U o30ms 图10-2按键抖动 键盘上阵列这些开关最有效的方法（当需要5个以上的键时）就形成了一 个如图10-3所示的二维矩阵。当行和列的数目一样多时，也就是方型的矩 阵，将产生一个最优化的布列方式（I/O端被连接的时候），一个瞬时接触 开关（按钮）放置在每一行与线一列的交叉点。矩阵所需的键的数目显然根据 应用程序而不同 每一行由一个输出端口的一位驱动，而每一列由一个电 阻器上拉且供 给输入端口一位。 一 3 H2 13 T7 Bl 盟 B3 *5 图10-3矩阵键盘 键盘扫描的实现过程如下：对于4X

4、4键盘，通常连接为4行、4列，因 此要识别按键，只需要知道是哪一行和哪一列即可，为了完成这一识别过 程，我们的思想是，首先固定输出4行为高电平，然后输出4列为低电平， 在读入输出的4行的值，通常高电平会被低电平拉低，如果读入的4行均为 高电平，那么肯定没有按键按下，否则，如果读入的 4行有一位为低电平， 那么对应的该行肯定有一个按键按下，这样便可以获取到按键的行值。同 理，获取列值也是如此，先输出4列为高电平，然后在输出4行为低电平， 再读入列值，如果其中有哪一位为低电平，那么肯定对应的那一列有按键 按下。 获取到行值和列值以后，组合成一个8位的数据，根据实现不同的编码在 对每个按键进行匹配，

5、找到键值后在7段码管显示。 三、实验内容 本实验要求完成的任务是通过编程实现对 4X4矩阵键盘按下键的键值的 读 取，并在数码管上完成一定功能（如移动等）的显示。按键盘的定义，按 下“* ”键则在数码管是显示“ E”键值。按下“ #”键在数码管上显示“ F” 键值。其它的键则按键盘上的标识进行显示。 在此实验中数码管与 FPGA的连接电路和管脚连接在以前的实验中都 做了详细说明，这里不在赘述。本实验箱上的 4X4矩阵键盘的电路原理如 表10-14X4矩阵键与F PGA的管脚连接表 信号名称 对应FPGA管脚名 说明 KEY-CO B8 矩阵键盘的第 1列选择 KEY-C1 A9 矩阵键盘的第

6、2列选择 KEY-C2 B9 矩阵键盘的第 3列选择 KEY-C3 E5 矩阵键盘的第 4列选择 KEY-R0 B6 矩阵键盘的第1行选择 KEY-R1 A7 矩阵键盘的第 2行选择 KEY-R2 B7 矩阵键盘的第 3行选择 KEY-R3 A8 矩阵键盘的第 4行选择 四、实验步骤 1、打开QUARTUSII软件，新建一个工程。 2、建完工程之后，再新建一个VHDL File，打开VHDL编辑器对话框。 3、 按照实验原理和自己的想法，在 VHDL编辑窗口编写VHDL程序, 用户可参照光盘中提供的示例程序。 4、编写完VHDL程序后，保存起来。方法同实验一o 5、对自己编写的VHDL程序进行

7、编译并仿真，对程序的错误进行修改。 6编译仿真无误后，依照4X4矩阵键、数码管与FPGA的管脚连接表 （表或参照附录）进行管脚分配。表10-2是示例程序的管脚分配表。分配完 成后，再进行全编译一次，以使管脚分配生效。 表10-2端口管脚分 端口名 使用模块信号 对应FPGA管脚 说明 CLK 数字信号源 C13 时钟为 1KHZ KR0 4*4矩阵键盘 R0 B6 矩阵键盘行信号 KR1 4*4矩阵键盘 R1 A7 KR2 4*4矩阵键盘 R2 B7 KR3 4*4矩阵键盘 R3 A8 KC0 4*4矩阵键盘 C0 B8 矩阵键盘列信号 KC1 4*4矩阵键盘 C1 A9 配表 KC2 4*4

8、矩阵键盘C2 B9 矩阵键盘列信号 KC3 4*4矩阵键盘C3 E5 A 数码管模块 A段 F13 键值显示 B 数码管模块 B段 F14 C 数码管模块C段 F15 D 数码管模块 D段 E15 E 数码管模块 E段 F16 F 数码管模块 F段 F17 G 数码管模块G段 E18 SA 数码管模块 SEL0 G18 SB 数码管模块 SEL1 G17 SC 数码管模块 SEL2 G16 7、用下载电缆通过JTAG 口将对应的sof文件加载到FPGA中。观察实 验 结果是否与自己的编程思想一致 五、实验结果与现象 以设计的参考示例为例，当设计文件加载到目标器件后，将数字信号 源模块 的时钟选

9、择为1KHz ,按动“模式”按键使单8字数码管显示“0”（参 考实验四），按下矩阵键盘的某一个键，则在数码管上显示对应的这个键标 识的键值，当再按下第二个键的时候前一个键的键值在数码管上左移一位。 按下“*”键则在数码管是显示“E”键值。按下“#”键在数码管上显示“F” 键 值。 /* 工 程： 4x4 矩阵键盘 日 期： 2011-08-3 最后修改： 功 能：键盘 说 明：ROW【3:0】设为输入，COL【3:0】设为输出。 如果没有按键按下，则 ROW【 3:0】一直被上 拉为高电平，且 COL 【3:0】有低电平输出， ROW【 3:0】中才有可能低电平输入。 */ module ke

10、ys(clk_50M,rst_n,row,col,dataout,smg_wei); * output 3:0col; input rst_n; input clk_50M; input 3:0row; output 7:0dataout; output 7:0smg_wei; /矩阵键盘列 /复位键 /系统时钟 /矩阵键盘行 /键盘值数码管显示数据 /数码管显示使能 assign smg_wei=0;/八个数码管显示 reg 7:0dataout; reg 3:0col; reg 3:0key_board_val; * /*/ /分频部分开始 /*/ reg19:0cnt; /计数子 alw

11、ays (posedge clk_50M or negedge rst_n) if(!rst_n) cnt=0; else cnt=cnt+1b1; wire key_clk=cnt19; / 2A20/50M=21ms /* 状态机部分 独热码编码 */ parameter NO_KEY_PRESSED=6b000_001;/ 没有键按 parameter SCAN_COL0 parameter SCAN_COL1 parameter SCAN_COL2 parameter SCAN_COL3 parameter KEY_PRESSED =6b000_010;/ 扫描第 =6b000_100

12、;/ 扫描第 =6b001_000;/ 扫描第 =6b010_000;/ 扫描第 列 列 列 列 =6b100_000;/ 有键按下 /*/ reg 5:0current_state,next_state; / 现态和次态 /*/ /复位 /*/ always (posedge key_clk or negedge rst_n) if(!rst_n) current_state=NO_KEY_PRESSED; else current_state=next_state; */ always * /(current_state)/ 根据条件转移状态 case (current_state) NO

13、_KEY_PRESSED: / 没有键按下 if(row!=4hf) next_state=SCAN_COL0; else next_state=NO_KEY_PRESSED; SCAN_COL0: / 扫描第 0 列 if(row!=4hf) next_state=KEY_PRESSED; else next_state=SCAN_COL1; SCAN_COL1:/扫描第 1 列 if(row!=4hf) next_state=KEY_PRESSED; else next_state=SCAN_COL2; SCAN_COL2:/扫描第 2 列 if(row!=4hf) next_state=

14、KEY_PRESSED; else next_state=SCAN_COL3; SCAN_COL3:/扫描第 3 列 if(row!=4hf) next_state=KEY_PRESSED; else next_state=NO_KEY_PRESSED; KEY_PRESSED:/有按键按下 if(row!=4hf) next_state=KEY_PRESSED; else next_state=NO_KEY_PRESSED; endcase * reg key_pressed_flag; / 按键按下标志 reg 3:0col_val; reg 3:0row_val; /列值 /行值 * /

15、根据次态，给相应的寄存器赋值 * always (posedge key_clk or negedge rst_n) if(!rst_n)/ 复位 begin col=4h0; key_pressed_flag=0; end else case (next_state) NO_KEY_PRESSED: begin col=4h0; key_pressed_flag=0; end SCAN_COL0: col=4b1110; SCAN_COL1: col=4b1101; SCAN_COL2: col=4b1011; SCAN_COL3: col=4b0111; KEY_PRESSED: begi

16、n col_val=col; / / 扫描第 0 列 / 扫描第 1 列 / 扫描第 2 列 /扫描第 3 列 /有按键按下 锁存列值 row_val=row; / 锁存行值 key_pressed_flag=1; / 键盘值转换为数码管显示 / 置键盘按下标 */ / 扫描行列值部分 开始 end endcase * */ * always (posedge key_clk or negedge rst_n) if(!rst_n) key_board_val=4h0; else if(key_pressed_flag) case(col_val,row_val) 8b11101110 : k

17、ey_board_val = 4h0; 8b11101101 : key_board_val = 4h4; 8b11101011 : key_board_val = 4h8; 8b11100111 : key_board_val = 4hC; 8b11011110 : key_board_val = 4h1; 8b11011101 : key_board_val = 4h5; 8b11011011 : key_board_val = 4h9; 8b11010111 : key_board_val = 4hD; 8b10111110 : key_board_val = 4h2; 8b101111

18、01 : key_board_val = 4h6; 8b10111011 : key_board_val = 4hA; 8b10110111 : key_board_val = 4hE; 8b01111110 : key_board_val = 4h3; 8b01111101 : key_board_val = 4h7; 8b01111011 : key_board_val = 4hB; 8b01110111 : key_board_val = 4hF; endcase * /* */ always * /(key_board_val) begin case(key_board_val) 4h0: dataout=8b11000000; /0 4h1: dataout=8b11111001; /1 4h2: dataout=8b10100100; /2 4h3: dataout=8b10110000; /3 4h4: dataout=8b10011001; /4 4h5: dataout=8b10010010; /5 4h6: dataout=8b10000010; /6