基于CPLD 的矩阵键盘扫描模块设计

1、    基于CPLD 的矩阵键盘扫描模块设计    基于CPLD 的矩阵键盘扫描模块设计    类别：EDA/PLD      摘要： 为了在不增加CPU 工作负担的前提下，实现标准键盘和矩阵键盘双键盘同时工作，提出了一种基于复杂可编逻辑器件（CPLD）的矩阵键盘扫描方案，实现了在矩阵键盘状态控制下CPLD 自动完成键盘扫描、编码、输出的功能，CPU 通过定时器中断服务程序定时查询矩阵键盘状态，并将按键值直接送入键盘

2、缓冲区，供其他程序使用。 给出了CPLD 部分模块的VHDL 语言实现和仿真波形。在矩阵键盘的扫描、编码、输出完全不需CPU 控制的前提下，实现标准键盘和矩阵键盘双键盘同时使用。 在基于PC104 的便携式野外测试设备的设计中，键盘是常用的输入设备。对于便携式设备野外工作时，一般使用小型（4×4）矩阵键盘就能满足设备的信息输入需要； 室内调试时， 使用标准PS2 键盘更方便、灵活。一般的做法是保留PC104 的键盘接口用于接标准键盘， 利用扩展I/O接口完成小矩阵键盘的扫描和输入。这样做虽然可以实现设备双键盘同时工作的功能， 却需耗费大量的CPU 处理时间扫描矩阵键盘， 造成CPU

3、处理其他信息的能力下降。而本文设计的基于CPLD 的矩阵键盘扫描模块能够很好地解决上述问题。 1 矩阵键盘扫描原理 图1 给出了4×4 矩阵键盘的电路图， 在图1 中KX3.0为扫描码输入，KY3.0为扫描码输出。键盘扫描开始时，首先置KX3.0=“0000”；键盘扫描码寄存器和键盘扫描码缓存器Kreg15.0和Kscan15.0置成“1111111111111111” （ 全1为没有键按下，有键按下时至少有一位为0），一旦有键按下，KY3.0输出不全为“0”的扫描码触发键盘扫描功能开始键盘扫描，扫描开始后，依次将KX3、KX2、KX1、KX0 置“0”，分别将对应的4 组KY3.0

4、输入值保存于Kscan15.12、Kscan11.8 、Kscan7.4 、Kscan3.0中，而后比较Kscan 和Kreg 的大小，如果Kscan 小于Kreg，将Kscan 保存于Kreg 中，重复上述扫描过程直到Kscan15.0各位输出全为“1”时，说明按下的键全部抬起，Kreg15.0中的每一个为“0”的位对应一个按下的键，保留扫描过程中的Kreg 最小值就可以处理组合键。 根据记录的Kreg 值可以判断是哪个或哪几个键按下， 据此编码按键值后输出。将KX3.0置为“0000”，等待下一次按键发生。 图1 4×4 矩阵键盘电路图。 2 基于CPLD 的4×4 矩

5、阵键盘扫描模块设计 根据上述扫描原理和工作流程，如果以PC104 CPU 实现上述矩阵键盘的扫描过程， 那么在有键按下后，CPU 必须不停地扫描矩阵键盘电路，在此期间不能进行其他工作，降低了CPU 工作效率，且CPU 连续高速运转增加系统功耗。 本文的目的就是在不需要CPU 参与的条件下以CPLD完成矩阵键盘按键事件触发、按键的扫描定位以及按键的编码和键值输出工作，CPU 只需要定时查询有无键按下并读走按下键的按键值送入键盘缓冲区。这样就使CPU 从繁重的矩阵键盘扫描工作中解脱出来。根据上述键盘扫描工作原理，基于CPLD 的4×4 矩阵键盘扫描模块功能框图如图2 所示。 图2 4&#

6、215;4 矩阵键盘扫描模块CPLD 实现框图。 图中， 模块KeyTri 在时钟信号CLK 的控制下实现按键事件触发和矩阵键盘扫描时序产生功能； 模块keycode 在时钟信号CLK 和扫描时序码SCode 的控制下完成输出键盘扫描码KX，同时记录16 位键盘扫描数据等工作，并在所有键抬起后对按下的键编码完成输出功能；模块nread 实现按键码的暂存、按键状态的置位和清除以及矩阵键盘的使能；模块PCPORT 完成矩阵键盘与CPU 的接口； 模块OSC 与CreatClock 产生控制键盘扫描模块工作的3 KHz 时钟信号CLK。 2.1 键盘扫描触发模块（KeyTri）的功能与时序仿真 键盘

7、扫描过程中，扫描信号不停变化，以判断键盘按键的按下和抬起。高速变化的键盘扫描信号不仅使系统功耗增加，而且还会对其他敏感电路造成干扰。因此在本设计中将键盘扫描模式设计成键按下触发扫描方式，只有当键盘有键按下后，才触发键盘扫描电路产生扫描键盘时序，所有键都放开后，停止对键盘的扫描，使电路处于相对静止状态，以减少对其他电路的干扰。 键盘按下时会有抖动，在按键抖动时扫描键盘，可能会使键盘扫描电路产生误判，因此在键盘按下与开始扫描之间应加入一段延时，延时结束后按键仍处于按下状态，才允许开始键盘扫描，这样做可以最大限度地避免扫描电路的误判和漏判。 键盘扫描触发模块实现的功能为： 在KX=“0000” 的状

8、态下，如果有任意一个键被按下，KY 必然不全为1，触发延时功能开始延时，延时结束后，如果KY 仍不全为1，说明该按键事件有效， 启动扫描时序产生1HBH 的4 位循环扫描时序码，控制后续的键盘扫描电路对键盘扫描，当ReSet 变低时，立即将扫描时序码置为0H，停止本次键盘扫描并等待下一次键盘按下事件到来。键盘扫描触发模块的VHDL 语言实现如下： 键盘扫描触发模块的时序仿真如图3 所示。 图3 键盘扫描触发模块的时序仿真。 在图3 中，和之间的时间为去键盘抖动延时，为了方便仿真，此处把延时时间设定为4 个周期，实际使用时，应保持在2030 ms 左右。 2.2 键盘扫描与编码输出模块（keyc

9、ode）的功能与时序仿真 所谓键盘扫描，就是在键盘的KX 端依次送入扫描码，以便定位被按下的键。键盘编码是对键盘扫描值译码得到按下键的按键值。 该模块完成的功能为： 在扫描时序控制码SCode 3.0和CLK 的下降沿控制下依次输出4 组扫描码“0111”、“1011”、“1101”、“1110”扫描整个键盘，同时记录键盘的扫描值，将记录的4 组扫描值组合成一组16 位的键盘扫描值Kscan 15.0，如果Kscan15.0 小于Kreg15.0， 将Kscan15.0 保存于Kreg15.0中，当所有键放开后，对Kreg15.0译码产生按键编码并输出。有一个键按下，16 位的键盘扫描值中有且

10、只有一位为0，多键组合按下时，键盘扫描值中就会有多个位为0，因此在键盘扫描过程中，记录最小的键盘扫描值，使得扫描模块不仅能够处理单键，而且可以处理多键组合。具体工作过程说明如下： 当SCode 3.0=0 时，KX=“0000”， 置16 位键盘扫描值Kscan15.0和Kreg15.0为全1，此时无论哪一个键按下，都可使KY 不全为1，从而触发扫描模块工作；当SCode3.0=1 或2 时，KX=“0111”，此时图1 中K12K15 有按下的键时， KY 对应位为0，其他位为1，记录KY到键盘扫描码寄存器的Kreg15.12；当SCode3.0=3 或4 时，KX=“1011”，此时图1

11、中K08K11 有按下的键时， KY 对应位为0，其他位为1，记录KY到键盘扫描码寄存器的Kreg11.8；当SCode3.0=5 或6 时，KX=“1101”，此时图1 中K04K07 有按下的键时， KY 对应位为0，其他位为1，记录KY到键盘扫描码寄存器的Kreg7.4；当SCode3.0=7 或8 时，KX=“1110”，此时图1 中K00K03 有按下的键时， KY 对应位为0，其他位为1，记录KY到键盘扫描码寄存器的Kreg3.0；当SCode3.0=9 和10 时，如果Kscan15.0各位不全为“1” 且Kscan15.0< Kreg15.0， 将Kscan15.0 保存

12、到Kreg15.0；否则对Kreg15.0译码产生按键编码并输出；当SCode3.0=11 且记录Kscan15.0各位为全“1”时，产生键盘复位信号ReSet，结束本次键盘扫描。 键盘扫描与编码输出模块的核心模块VHDL 语言实现如下： 键盘扫描与编码输出模块的时序仿真图如图4 所示。 图4 键盘扫描与编码模块的时序仿真。 2.3 键盘编码输出模块（nread）的功能与时序仿真 在该模块中，KeyData 的最高位KeyData（7）为键盘缓存状态指示位，当KeyData（7）=0时，表示键盘缓存中没有按键码；当KeyData（7）=1时，表示键盘缓存中有按键码等待CPU 读取。KeyDat

13、a6.0为按下键的编码。ReSet 的下降沿用于将KeyVal6.0存入KeyData6.0，同时将KeyData（7）置成1。enKeyOut 用于使能矩阵键盘输出，当enKeyOut=1时，允许矩阵键盘输出按键码；当enKeyOut=0时，禁止矩阵键盘输出按键码。ClrKey 用于清除键盘缓存状态指示位KeyData（7），当ClrKey=0时，置KeyData（7）为0。 键盘编码输出模块的VHDL 语言实现如下： 键盘编码输出模块的时序仿真图如图5 所示。 图5 键盘编码输出模块的时序仿真。 2.4 接口模块（PCPORT）的功能与时序仿真 该模块用于实现CPU 读入键盘码以及矩阵键盘

14、控制信号的输出。开始时，CPU 首先应通过该模块送出OSCEn=1 信号， 使振荡器模块（OSC） 和时钟产生模块（CreatClock）开始工作，产生驱动扫描模块工作的时钟信号F3kHz；接下来送出键盘禁止信号enKeyOut=0；禁止矩阵键盘在稳定工作前随机输出按键值； 其次送出清除键盘缓存状态指示位的ClrKey 信号； 最后再送出键盘使能信号enKeyOut=1，开始模块扫描键盘工作。接口模块的时序仿真图如图6 所示。 图6 接口模块的时序仿真。 2.5 其他模块的功能 振荡器模块（OSC） 为利用Altera 公司的IP 核产生的MAXII 系列CPLD 内带的振荡器， 用于在使能信

15、号的控制下产生3.3 MHz 的时钟输出。 时钟产生模块（CreatClock），用于将3.3 MHz 的时钟分频产生3 KHz 的键盘扫描时钟，驱动整个键盘扫描模块工作。 3 控制软件的设计 本文软件设计的基本思想是：CPU 利用定时中断查询矩阵键盘状态并读入矩阵键盘的按键码，如果按键码为需要立即响应的特殊功能键（如热启动键），即在中断服务程序中作出处理，否则直接送入与标准键盘共用的键盘缓冲区，在键盘缓冲区与标准键盘送来的按键码一起排队等待CPU 响应处理，从而实现双键盘同时工作。在向键盘缓冲区写入按键值时，必须使用DOS 软中断，否则会由于中断优先级的原因而使新写入的按键码得不到响应。 矩

16、阵键盘的控制软件采用C 语言编制，利用PC104 的定时器中断定时查询矩阵键盘， 如果有键值， 将其存入PC104 的键盘缓冲区，等待PC104 使用。控制程序的源码如下： 4 测试结果 本文所述的键盘扫描模块已经在多功能电法接收机中使用，在使用过程中对矩阵键盘的响应时间、准确度、CPU 处理时间占用、以及双键盘同时工作性能等指标进行了测试分析，结果如下： 1）矩阵键盘响应时间和准确度测试，理论上计算矩阵键盘的最短响应时间为T=t1+t2+t3+t4=55.9 ms（其中，t1为防抖动延时时间30 ms; t2键盘扫描最短用时， 共扫描2 次用22 个F3 kHz 时钟周期6.6 ms; t3

17、为键盘值暂存时间，3 个F3kHz 时钟周期1 ms； t4为查询键盘中断间隔18.3 ms）， 考虑到操作键盘的速度， 测试方法为全部16 个键以3 次/s 的速度连续按6 次，间隔5 s 换一个键，将键值输出到显示器观察输入情况，测试结果为：总按键数：96；显示按键数：96；漏判按键数：0；错判按键数：0；准确率：100%。 2）矩阵键盘占用CPU 时间分析，通过对矩阵键盘按键值的读入程序分析可知， 当允许矩阵键盘输出且有键按下时，每次中断服务程序需要额外执行8 条语句， 大约用时4 s；当允许矩阵键盘输出且没有键按下时，每次中断服务程序需要额外执行3 条语句，大约用时1.5 s；与CPU 完成矩阵键盘扫描工作（假设从键按下到释放一般用时300 ms）相比，一次按键读入CPU 占用时间节省99.998%。 3）双键盘同时工作测试，测试方法将矩阵键盘和标准键盘同时接入系统， 按1 次/s 的速度交替按两键盘的按键100个，在显示器上观察按键输出情况，得出双键盘工作可靠性数据如下: 总按键数：200；显示按键数200；漏判按键数：0；错判按键数：0；准确率：100%。因此，该模块可以实现双键盘同时工作。 5 结论 该模块经过测试和使用，得出如下结论：1）基于CPLD 的矩阵键