文献综述-多按键状态识别系统设计

1、毕业设计(论文文献综述课题名称:多按键状态识别系统设计 学 院:机 电 工 程 学 院 专 业:年 级:指导教师:学生姓名:学 号:_起迄日期:_文献综述前言:按键是一组排列好的功能键, 用于把信息输入终端, 从而送入既定的系统中。 一个按键系统可以设计很多个单独按键, 每个按键都各有自己独特的作用, 但有 时多个按键同时按下, 系统也会完成相应的指令。 键盘按文字输入同时击打按键 的数量可分为单键输入键盘、 双建输入键盘、 多键输入键盘, 而我们一般常用的 都是单键输入键盘,速录机键盘属于多键输入键盘 (1。而多键输入键盘相对前面 两种键盘来说使用比较方便, 不仅提高了输入速度, 扩充了输入

2、内容, 也增强了 按键输入的识别能力。随着经济的发展, 改进、 开发出按键识别系统的设计对现实生活中产品的应 用以及消费价格至关重要。 本文综合叙述了多种按键识别的设计方法, 和存在的 问题。主题:目前, 按键输入电路大多数用的主要有两种:一种是非扫描方式可以判断多 键状态, 即允许多键同时作用, 但这种不适用于大量按键情况, 所需输入输出端 口 I/O较多; 而另一种是扫描阵列方式, 适用于大量按键, 但不能多键同时按下 识别 (2。目前一般的按键识别系统的设计方案采用以下几种方式。第一种是最传统的设计按键识别的方法, 用 AT89S51单片机进行设计, 可用 串口写入,速度快、稳定性高,烧

3、写电压仅仅只需要几伏,但工作频率最高可高 达 33MHz 。键盘是单片机应用系统中不可缺少的输入设备,常用的有独立式(线 性和矩阵式两种结构 (2。该设计系统的键盘采用 16键矩阵行列式 (4×4阵列 查询, 电路图如图 1。 这种按键需要与单片机相连接,否则无法独立的工作。其中按键的 P20P27端 口分别接 AT89S51单片机的 P2.0P2.7,这样可节省要连接的端口。该键盘可 键入数字 09,以及实现复位功能。先在 P2.0P2.3口置入初始值为 0,当有 键按下时开始查询,读入 P2口的值,若 P2口全为二进制码 11111111,则表明 按下键是在第 0行, 反之则继续

4、查询下一行。 用同样的方法查询下面的行, 直到 查询到按下的行为为止。 然后开始查询列, 直到按下键所在的列为止, 这样就得 到了键入值。7 图 1 按键分布图独立式按键虽然软件和硬件结构简单, 但因每个按键要单独占用一个单片机 I/O引脚,所能扩展的按键数量有限,而矩阵式按键尽管在占用 I/O引脚的情况 下大大提高了按键的数量,但其软件编程比较复杂。而第二种设计方法则是一种全新的多按键识别方法, 此方法也是要依靠单片 机来实现, 但是由编码器构成的按键接口电路, 它不仅节省了 CPU 的 I/O端口资 源, 解决了按键接口占用计算机硬件资源和按键数量之间的矛盾, 而且又能够简 化按键识别程序

5、的设计 , 具有一定的应用价值。每 个 按 键 各 连 接 一 个 二 极 管 并 相 应 地 接 入 单 片 机 的 三 个 端 口 P1.2,P1.1,P1.0,引脚上逻辑电平分别为 0, 0, 0;当其中一个按键按下时, P1.2,P1.1,P1.0引脚上逻辑电平分别为 0, 0, 1, 其他按键按下时也将产生一个 对应的二进制代码, 二进制的此种接法具有编码器的逻辑功能。 由此可见, 只要 占用三个 I/O端口, 就能识别七个按键。 此种按键结构按键数与占用 I/O引脚的 关系为:Y=2x -1,即当用 3条 I/O引脚时,就可以识别 7个按键, 4条即可以识 别 15个按键。照此推算

6、,使用 8条 I/O引脚的情况下,独立式按键结构只可以 识别 8个按键, 矩阵式按键结构可识别 16个按键, 而此种按键结构仅用 5条 I/O引脚即可识别到 31个按键,这就大大提高了 I/O引脚的利用率,节省了按键以 及其他的元器件,使得总电路图更为简洁、易看 (2-3。第三种设计方法是用单片机实现一线多按键识别技术。 在单片机需要有按键 输入的时候, 常用独立式按键或者是矩阵式键盘等来设计键盘的输入, 也就是上 面提到的方法。 但对于独立式按键常常是一个按键对应一个 I/O口, 使用更多按键的时候就需要用到更多的 I/O口。对于像 AVR 或者 PIC 少引脚的单片机来说, 在 I/O口很

7、有限的情况下想要使用很多按键时, 就得使用其他方法来实现。 比如 说通过 74HC165等芯片来扩展输入 I/O口, 或者是其他的方法, 而这样会增加制 作成本。 在节约成本的条件下而利用 AVR 好 PIC 单片机大部分都内置有 A/D模数 转换器的功能,并且一般都是 10位的 A/D转换器。我们可以通过若干个电阻串 联起来组成分压式方法, 在每个分串联电阻之间连接一个按键, 按键的另一端接 到地, 这样只需要利用 AVR 或者 PIC 单片机的一个 I/O口就可以实现多个按键功 能的识别了 (2-3 。 这种方法只需要占用 AVR 和 PIC 单片机的内置 10位 A/D转换器 的一个 A

8、/D转换器通道即可,相对来说比较省成本,省制作时间。EDA 就是电子设计自动化技术,是一种以计算机为基础的工作平台,是利用 电子技术、 计算机技术、 智能化技术等多种应用学科的最新成果, 开发成的一整 套电子 CAD 软件, 是一种帮助电子设计工程师从事电子元件产品和系统设计的综 合技术。 现在 EDA 技术的基本特征是采用高级语言描述, 具有系统级仿真和综合 能力 (4 。在进行功能框图的划分和结构设计规划后,进行仿真、纠错,并用 VHDL 、 Verilog-HDL 等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述, 再进行系统一级验 证,最后逻辑综合优化,完成专用集成电路 ASIC 的设计与实现

9、 (5。一般有三种 途径:1、 利用超大规模可编程逻辑器件, 如常见的现场可编程门阵列 FPGA 和复 杂可编程逻辑器件 CPLD ,它们的特点是直接面向用户,具有极大的灵活性和通 用性, 使用方便、 硬件测试和实现快捷, 开发效率高、 成本低, 工作可靠性高等。 2、半定制或全定制的 ASIC ,就要用到掩模门阵列 MPGA ,但它与 FPGA 不同,它 不是用户可编程的,也不属于可编程逻辑范畴,而是实际的 ASIC 。 3、利用混合 ASIC ,主要指既具有面向用户的 FPGA 可编程功能和逻辑资源,同时也包含有可 方便调用和配置的硬件标准单元模块 (5-6。最后再介绍一种按键识别系统设计

10、的方式,就是要利用 FPGA 可编程门阵列 和 VHDL 汇编语言来实现。 FPGA 芯片的 I/O端口数量较多和可以编程的特点,采 用 VHDL 汇编语言编写程序,实现识别多个按键自由操作运行,这可以简化 MCU 单片机的控制信号。VHDL 是一种用于数字系统的设计和测试的硬件描述语言, 能够达到集成电路的高集成度、系统化、微尺寸、微功耗的要求,并进行模拟仿真 (6 。 VHDL 与其 他的硬件描述语言相比, 具有更强的行为描述能力, 具有丰富的仿真语句和库函 数,在完成一个确定的设计后,可以利用 EDA 工具进行逻辑综合和优化 . 而且对 设计的描述具有相对的独立性,能够简单的改变设计的规

11、模和结构从而完成设 计, 其本身的生命周期也比较长, 不会随着外部的工艺技术改变而使得描述过时。 FPGA 是一种可编程逻辑器件,它具有良好性能、极高的密度和极大的灵活 性, 外围电路简单可靠等特性。 FPGA 采用 Altera 公司 EPF10K30ATC144, 该器件 内核采用 3.3 V 供电,端口电压为 3. 3V 可承受 5 V 输入高电平,其工作频率高 达 100 MHz ,有 102个可用 I /0端口,每个端口输入电流最高达 25 mA ,输出电 流达 25 mA。 l728个逻辑单元 (Les, 12288 bit的用户 Flash 存储器,可满足 用户小容量信息存储,能

12、完全满足一般系统的设计要求 (6-7 。因此,该系统的设 计由 MCU 单片机、 FPGA 芯片、按键等部分组成。多路按键信号进入 FPGA 单元, 以供数据采集; FPGA 处理采集到的数据信号, 编码后写入内部 FIFO 。 MCU 通过 I /O 端口提取 FIFO 中的数据,模块通过电源接口向各个部分供电。由于 FPGA 基 于 RAM 工艺技术, 该器件在使用前需要从外部加载配置数据, 需要一个外置存储 器保存信息,采用可编程的串行配置器件,供电电压为 3.3V (8 。由于外界环境复杂, 按键引线长达 6m , 保护二极管 VDi :在外界干扰信号大 于 VCC 时导通起到保护 FPGA 的作用。 电阻 Ri 上拉限流, 按键未闭合状态下 FPGA 输入引脚始终处于高电平 (9 。 FPGA 内部逻辑设计 FPGA 内部功能分为扫描模块、 编码模块、控制模块以及同步 FIFO RAM模块。小结按键作为普通的外部输入设备,如今在仪器仪表设备和家用电器中随处可 见, 得到了广泛的应用, 电脑、 手机、 遥控器等。 因为它的存在能使双手更灵活、 大脑更发达, 若是被市场被人类淘汰, 那么人类就