利用键盘控制点阵进行十进制加法计算显示

1、中北大学课 程 设 计 说 明 书   学生姓名:杨润江学 号：0706024151 学 院: 电子与计算机科学技术学院专 业:微电子学题 目:利用键盘控制点阵进行十进制加法计算显示 指导教师： 王红亮 职称: 讲师     2010 年 6 月 25 日目 录1、 课程设计目的22、 课程设计内容和要求 22.1、设计内容 22.2、设计要求 23、设计方案及实现情况 23.1、设计思路 23.2、工作原理及框图 33.3、各模块功能描述 43.4、仿真结果 233.5、试验箱验证情况 244

2、、课程设计总结 265、参考文献 261、课程设计目的： （1）学习操作数字电路设计实验开发系统，掌握点阵显示模块的工作原理及应用。（2）掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路的设计方法。（3）学习掌握可编程器件设计的全过程。2、课程设计内容和要求：2.1、设计内容： 用VHDL语言编写程序，编写键盘控制模块的控制逻辑，仿真所编写的程序，模拟验证所编写的模块功能，下载程序到芯片中，实现键盘控制点阵进行十进制加法计算显示。2.2、设计要求：（1）学习掌握键盘控制模块、点阵显示模块的工作原理及应用；（2）熟练掌握VHDL编程语言，编写键盘控制模块的控制逻辑；（3）仿真所编写的程序，模拟验证所编写的模块功能

3、；（4）下载程序到芯片中，硬件验证所设置的功能，能够实现十进制数字的显示；（5）整理设计内容，编写设计说明书。3、 设计方案及实现情况：3.1、设计思路：分三个模块编写程序，首先实现键盘对点阵的控制，然后设计加法计算功能模块，由于点阵显示的局限性，当有进位时设置CO为高电平在数码管上显示出来，在最后一个模块编写显示的1到9以及加号的列字符扫描信号，从而实现键盘控制点阵十进制加法计算的显示。3.2、工作原理及框图： 系统的输入信号有：开关（允许输入及显示）信号RST，系统时钟信号CLK，按键信号（KEYIN3.0）。系统的输出信号有：点阵行驱动输出信号（LEDOUT0.15），点阵列选

4、信号（SEL3.0），进位输出信号CO。系统的工作过程为：在开关信号RST（低电平有效）为低电平时，矩阵键盘不工作，16×16点阵没有显示；当开关信号RST为高电平时，整个系统工作，当在矩阵键盘上按下按键后，16×16点阵会显示出一个1位十进制数,在进行功能操作时，当按下NEXT键时，点阵上显示“+”号，然后再按下一个十进制数在点阵上显示，最后按下ENTER键进行加法计算，如果结果大于9，则进位输出CO输出高电平，点亮发光二极管，点阵显示个位，否则直接输出结果。LED点阵显示原理：LED点阵式显示器不仅可以显示数字，也可显示所有西文字母和符号，与由单个发光二极管连成的显示器

5、相比，具有焊点少、连线少，所有点在同平面、亮度均匀、外形美观以及具有显示信息丰富、功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其他显示器无法比拟的优点，可以代替数码管、符号管和米字管。如果将多块组合可以构成大屏幕显示屏用于汉字、图形、图表等等的显示，因此被泛用于机场、车站、码头、银行及许多公共场所的指示、说明、广告等场合。16×16的LED点阵显示器，是由256个LED组成,共阳极的16×16的LED点阵显示器的典型连接方式是：每一行的16个阳极连在一起，由行扫描码锁存器和驱动器的一位控制，总共16行阳极连线由16位分别控制；每一列的16个阴极连在一起，由列扫描码锁存器和驱动器的一位

6、控制，总共16列阴极连线由16位分别控制。 点阵字符的驱动过程:点阵式LED显示器采用逐行扫描式工作。要使点阵显示出一个字符的编程方法是：首先选通第一行；接着，向行码锁存器写入该行的字型码（即列数据）。然后，按相同的方式选通第二行，写第二行的字型码由此类推，直到写完所有行的字型码，完成一个字符的显示。16×16点阵显示驱动的行选通信号为一4-16译码器的输出，所以我们在设计点阵控制接口时，其行选通信号输出必须经4-16编码。矩阵式键盘的工作原理：矩阵式键盘又叫行列式键盘，是用I/O口线组成的行、列矩阵结构，在每根行线与列线的交叉处，二线不直接相通而是通过一个按键跨接接通。采用这种矩阵

7、结构只需M根行输出线和N根列输入线，就可连接M×N个按键。通过键盘扫描程序的行输出与列输入就可确认按键的状态，再通过键盘处理程序便可识别键值。矩阵式键盘的按键识别方法为行扫描法又称为逐行扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，介绍过程如下：1）判断键盘中有无键按下：将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与行线相交叉的按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。 2）判断闭合键所在的位置：在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。

8、在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。 键盘中的按键可分为数字键和功能键。数字键主要用来输入数字，但从上述内容发现，键盘所产生的输出KIN3KIN0无法拿来直接使用；另外不同的数字按键也担负不同的功能，因此必须由键盘译码电路来规划某个按键的输出形式，以便执行相应的动作。图1 总体框图3.3 、各模块功能描述：键盘扫描模块：实验箱中4×8矩阵键盘的电路原理图如图2所示图2 矩阵键盘的电路原理图该矩阵键盘的工作原理为：扫描信号为BCOM8.1，在BCOM8.1前已接有一个3-8译码器，3-8译码器的输入为S

9、EL0SEL2。当3-8译码器的输入为000时，即BCOM1为0，其他位为1，我们按下第一排第一键，此时KIN0输出0，KIN1KIN3输出全为1，按下第二排第二键时，KIN1输出0，其他输出1；当3-8译码器输入为001时，即BCOM2为0，我们按下第一排第一键，此时KIN0输出0，KIN1KIN3输出全为1，同理其他键依此类推。键盘上的每个按键就是一个开关，当某键被按下时，该按键的接点会呈现0状态，反之为1。扫描信号为SEL2.0进入3-8译码器，再从译码器输出到键盘，所以第一次只能扫描一排，依此周而复始。若从KIN3.0输出的皆为1时，表示没有按键按下，代表该列没有按键被按下，则不进行按

10、键编码的操作，反之，如果有被按下时，则应将KIN3.0读出的值送到译码电路进行编码。按键位置与数码的关系如下表1所示：表1 按键位置与数码关系表SEL2SEL0KIN3KIN0对应的按键按键功能00011100数字011016数字61011LAST功能键0111CTRL功能键00111101数字111017数字71011STEP功能键0111EMPTY1扩展101011102数字21101REG功能键1011C字母C0111EMPTY2扩展201111103数字31101EXEC功能键1011D字母D0111EMPTY3扩展31001110MEM功能键11018数字81011E字母E0111E

11、MPTY4扩展41011110ESC功能键11019数字91011F字母F0111SHIFT功能键11011104数字41101A字母A1011NEXT功能键0111NONE无定义11111105数字51101B字母B1011ENTER功能键0111NONE无定义在设计该模块时，因为要实现十六进制数的显示，所以在KEYBOARD的模块中的p3进程依据上表描述了按键位置与数码的关系，实现了键盘输入输出的功能。KOUT4.0为键盘扫描后的对应的译码输出；CP为时钟CLK的四分频后的输出；Q1.0对按下的键值进行标志：“00”表示按下09之间的键值、“01”表示按下NEXT按键、“10”表示按下EN

12、TER按键、“11”表示按下其它按键。键盘控制模块如图3所示。图3 键盘控制模块图源程序：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity keyboard isport ( clk ,rst : in std_logic; kin : in std_logic_vector (3 downto 0); cp : out std_logic;q : out std_logic_vector (1 downto 0); sel : out std_logic_vector (3 down

13、to 0); kout : out std_logic_vector (4 downto 0) );end keyboard; architecture keyboard_arc of keyboard is signal counter : std_logic_vector(3 downto 0);signal counter1 : std_logic_vector(1 downto 0); signal counter2 : std_logic_vector(4 downto 0); signal colsel,Y : std_logic_vector(4 downto 0); signa

14、l clk1,ktest,kdown: std_logic; signal a : std_logic_vector(3 downto 0); signal b : std_logic_vector(2 downto 0);beginktest<=kin(3) and kin(2) and kin(1) and kin(0);p1: process(rst,clk) begin if(rst='0') then counter1<="00" elsif(clk'event and clk='1') then counter

15、1<=counter1+1; end if; end process p1; clk1<='0' when counter1<="01" else '1' cp<=clk1;p2: process(rst,clk1,ktest) begin if(rst='0') then counter<="0000" elsif(clk1'event and clk1='1') then if(ktest='0') or (kdown='0&

16、#39;) then counter<=counter; else counter<=counter+1; end if; end if; end process p2; sel<=counter; p3:process(clk,ktest) begin a<=kin; b<=counter(2) & counter(1) & counter(0); case b is when "000"=> case a is when "1110"=>Y<="00000" when

17、 "1101"=>Y<="00110" when "1011"=>Y<="11111" when "0111"=>Y<="11111" when others=>null; end case; when "001"=> case a is when "1110"=>Y<="00001" when "1101"=>Y<=&quo

18、t;00111" when "1011"=>Y<="11111" when "0111"=>Y<="11111" when others=>null; end case; when "010"=> case a is when "1110"=>Y<="00010" when "1101"=>Y<="11111" when "1011&qu

19、ot;=>Y<="11111" when "0111"=>Y<="11111" when others=>null; end case; when "011"=> case a is when "1110"=>Y<="00011" when "1101"=>Y<="11111" when "1011"=>Y<="11111"

20、when "0111"=>Y<="11111" when others=>null; end case; when "100"=> case a is when "1110"=>Y<="11111" when "1101"=>Y<="01000" when "1011"=>Y<="11111" when "0111"=>Y<=

21、"11111" when others=>null; end case; when "101"=> case a is when "1110"=>Y<="11111" when "1101"=>Y<="01001" when "1011"=>Y<="11111" when "0111"=>Y<="11111" when others=&g

22、t;null; end case; when "110"=> case a is when "1110"=>Y<="00100" when "1101"=>Y<="11111" when "1011"=>Y<="10000" when others=>null; end case; when "111"=> case a is when "1110"=>Y&

23、lt;="00101" when "1101"=>Y<="11111" when "1011"=>Y<="10001" when others=>null; end case; when others=>null; end case; end process p3;p4: process(ktest,clk,rst) begin if(rst='0') then counter2<="00000" kdown<=

24、'1' elsif(clk'event and clk='1') then if(ktest='0') then counter2<="00000" kdown<='0' elsif(counter2<"11110") then counter2<=counter2+1; if(counter2="11100") then kdown<='1' end if; end if; end if; end process p

25、4;p5: process(kdown,rst) begin if(rst='0') then colsel<="00000" elsif(kdown'event and kdown='1') thenif(Y<"10000")thenq<="00"colsel<=Y;elsif(Y="10000")thenq<="01"elsif(Y="10001")thenq<="10"els

26、if(Y="11111")thenq<="11"end if; end if; end process p5; kout<=colsel;end keyboard_arc;点阵显示模块：16×16点阵显示，各驱动接口为：第一行到第十六行对应的为L0L15，第一列到第十六列驱动采用4-16译码，对应的接口为SEL0SEL3。具体对应关系见下表：点阵显示接口对应关系表如下表2：表2 点阵显示接口对应关系表SEL3SEL2SEL1SEL0点亮列号1111第1列1110第2列1101第3列1100第4列1011第5列1010第6列1001第

27、7列1000第8列0111第9列0110第10列0101第11列0100第12列0011第13列0010第14列0001第15列0000第16列图4 点阵显示模块控制器的引脚功能图如图4所示，其中：CH4.0为显示十进制数模式选择，高电平有效；LEDOUT15.0为行驱动信号输出；SEL 3.0为列选信号输出。16×16点阵工作原理为：当CHAR输入是“00000”时，要实现16×16点阵显示数字“0”， 行驱动信号SEGOUT15.0根据实现数字图形的要求，事先已编写好各列相应的代码，列选信号SEL 3.0按如下形式依次循环：00000001001011101111，通过

28、416译码器译码后对点阵的各列进行扫描，当某点列和行都为“1”时，该点被点亮。同理其他数字图形显示依此类推。源程序：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity leddisp isport( sel :in std_logic_vector(3 downto 0); ch :in std_logic_vector(4 downto 0); ledout :out std_logic_vector(15 downto 0) );end leddisp;architecture le

29、ddisp_arc of leddisp isbegin process(ch,sel) begin case ch is when "00000"=> case sel is when "0000" => ledout<="0000000000000000" -0 when "0001" => ledout<="0000011111100000" when "0010" => ledout<="00001111111100

30、00" when "0011" => ledout<="0001111111111000" when "0100" => ledout<="0011000000001100" when "0101" => ledout<="0011000000001100" when "0110" => ledout<="0011000000001100" when "0111&quo

31、t; => ledout<="0011000000001100" when "1000" => ledout<="0011000000001100" when "1001" => ledout<="0011000000001100"when "1010" => ledout<="0011000000001100" when "1011" => ledout<="000

32、1111111111000" when "1100" => ledout<="0000111111110000" when "1101" => ledout<="0000011111100000" when "1110" => ledout<="0000000000000000" when "1111" => ledout<="0000000000000000" when oth

33、ers => null; end case; when "00001" => case sel iswhen "0000" => ledout<="0000000000000000" -1 when "0001" => ledout<="0000000000000000" when "0010" => ledout<="0000000000000100" when "0011" =>

34、 ledout<="0000000000000100" when "0100" => ledout<="0000000000000100" when "0101" => ledout<="0000000000000100" when "0110" => ledout<="0001111111111100" when "0111" => ledout<="0001111111

35、111100" when "1000" => ledout<="0001111111111100" when "1001" => ledout<="0000100000000100" when "1010" => ledout<="0000100000000100" when "1011" => ledout<="0000100000000100" when "1100

36、" => ledout<="0000000000000100" when "1101" => ledout<="0000000000000000" when "1110" => ledout<="0000000000000000" when "1111" => ledout<="0000000000000000" when others => null; end case; when &quo

37、t;00010" => case sel is when "0000" => ledout<="0000000000000000" -2 when "0001" => ledout<="0000000000010000" when "0010" => ledout<="0000111000011100" when "0011" => ledout<="0001111100001100

38、" when "0100" => ledout<="0001111110001100" when "0101" => ledout<="0001000110001100" when "0110" => ledout<="0001000011001100" when "0111" => ledout<="0001000001001100" when "1000"

39、 => ledout<="0001000001101100" when "1001" => ledout<="0001000000101100" when "1010" => ledout<="0001000000111100" when "1011" => ledout<="0001111000011100" when "1100" => ledout<="0000

40、111000001100" when "1101" => ledout<="0000010000001100" when "1110" => ledout<="0000000000000000" when "1111" => ledout<="0000000000000000" when others => null; end case; when "00011" => case sel is wh

41、en "0000" => ledout<="0000000000000000" -3 when "0001" => ledout<="0000000000100000" when "0010" => ledout<="0000010001111000" when "0011" => ledout<="0000111001111000" when "0100" =>

42、 ledout<="0001111111011100" when "0101" => ledout<="0001101110000100" when "0110" => ledout<="0001000110000100" when "0111" => ledout<="0001000110000100" when "1000" => ledout<="0001000110

43、000100" when "1001" => ledout<="0001000110000100" when "1010" => ledout<="0001000000000100" when "1011" => ledout<="0001110000011100" when "1100" => ledout<="0000110000011100" when "1101

44、" => ledout<="0000110000011000" when "1110" => ledout<="0000000000000000" when "1111" => ledout<="0000000000000000" when others => null; end case; when "00100" => case sel is when "0000" => ledout&l

45、t;="0000000000000000" -4 when "0001" => ledout<="0000000000100100" when "0010" => ledout<="0000000000100100" when "0011" => ledout<="0000000000100100" when "0100" => ledout<="0001111111111100

46、" when "0101" => ledout<="0001111111111100" when "0110" => ledout<="0001111111111100" when "0111" => ledout<="0000110000100100" when "1000" => ledout<="0000011000100100" when "1001"

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48、000001100000" when "1110" => ledout<="0000000000000000" when "1111" => ledout<="0000000000000000" when others => null; end case; when "00101" => case sel is when "0000" => ledout<="0000000000000000" -5

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