verilog矩阵键盘.docx
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verilog矩阵键盘
二、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4×4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。
图10-1简单键盘电路
通常在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5ms∼30ms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。
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。
图10-3矩阵键盘
键盘扫描的实现过程如下：
对于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，找到键值后在7段码管显示。
三、实验容
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图10-4所示。
与FPGA的管脚连接如表10-1所示。
图10-44X4矩阵键盘电路原理图
表10-14X4矩阵键与FPGA的管脚连接表
信号名称
对应FPGA管脚名
说明
KEY-C0
B8
矩阵键盘的第1列选择
KEY-C1
A9
矩阵键盘的第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VHDLFile，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。
5、对自己编写的VHDL程序进行编译并仿真，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。
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
表10-2端口管脚分配表
KC2
4*4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。
*************************************************/
modulekeys（clk_50M,rst_n,row,col,dataout,smg_wei）;
/*************************************************/
output[3:
0]col;//矩阵键盘列
inputrst_n;//复位键
inputclk_50M;//系统时钟
input[3:
0]row;//矩阵键盘行
output[7:
0]dataout;//键盘值数码管显示数据
output[7:
0]smg_wei;//数码管显示使能
reg[7:
0]dataout;
reg[3:
0]col;
reg[3:
0]key_board_val;
/*************************************************/
assignsmg_wei=0;//八个数码管显示
/*************************************************/
//分频部分开始
/*************************************************/
reg[19:
0]t;//计数子
always（posedgeclk_50Mornegedgerst_n）
if（!
rst_n）
t<=0;
else
t<=t+1'b1;
wirekey_clk=t[19];
//2^20/50M=21ms
/*************************************************
状态机部分独热码编码
*************************************************/
parameterNO_KEY_PRESSED=6'b000_001;//没有键按下
parameterSCAN_COL0=6'b000_010;//扫描第0列
parameterSCAN_COL1=6'b000_100;//扫描第1列
parameterSCAN_COL2=6'b001_000;//扫描第2列
parameterSCAN_COL3=6'b010_000;//扫描第3列
parameterKEY_PRESSED=6'b100_000;//有键按下
/*************************************************/
reg[5:
0]current_state,next_state;//现态和次态
/*************************************************/
//复位
/*************************************************/
always（posedgekey_clkornegedgerst_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_KEY_PRESSED:
//没有键按下
if（row!
=4'hf）
next_state=SCAN_COL0;
else
next_state=NO_KEY_PRESSED;
SCAN_COL0:
//扫描第0列
if（row!
=4'hf）
next_state=KEY_PRESSED;
else
next_state=SCAN_COL1;
SCAN_COL1:
//扫描第1列
if（row!
=4'hf）
next_state=KEY_PRESSED;
else
next_state=SCAN_COL2;
SCAN_COL2:
//扫描第2列
if（row!
=4'hf）
next_state=KEY_PRESSED;
else
next_state=SCAN_COL3;
SCAN_COL3:
//扫描第3列
if（row!
=4'hf）
next_state=KEY_PRESSED;
else
next_state=NO_KEY_PRESSED;
KEY_PRESSED:
//有按键按下
if（row!
=4'hf）
next_state=KEY_PRESSED;
else
next_state=NO_KEY_PRESSED;
endcase
/*************************************************/
regkey_pressed_flag;//按键按下标志
reg[3:
0]col_val;//列值
reg[3:
0]row_val;//行值
/*************************************************/
//根据次态，给相应的寄存器赋值
/*************************************************/
always（posedgekey_clkornegedgerst_n）
if（!
rst_n）//复位
begin
col<=4'h0;
key_pressed_flag<=0;
end
else
case（next_state）
NO_KEY_PRESSED:
begin
col<=4'h0;
key_pressed_flag<=0;
end
SCAN_COL0:
//扫描第0列
col<=4'b1110;
SCAN_COL1:
//扫描第1列
col<=4'b1101;
SCAN_COL2:
//扫描第2列
col<=4'b1011;
SCAN_COL3:
//扫描第3列
col<=4'b0111;
KEY_PRESSED:
//有按键按下
begin
col_val<=col;//锁存列值
row_val<=row;//锁存行值
key_pressed_flag<=1;
//置键盘按下标
end
endcase
/********************************************************************************/
//扫描行列值部分开始
/********************************************************************************/
always（posedgekey_clkornegedgerst_n）
if（!
rst_n）
key_board_val<=4'h0;
else
if（key_pressed_flag）
case（{col_val,row_val}）
8'b11101110:
key_board_val<=4'h0;
8'b11101101:
key_board_val<=4'h4;
8'b11101011:
key_board_val<=4'h8;
8'b11100111:
key_board_val<=4'hC;
8'b11011110:
key_board_val<=4'h1;
8'b11011101:
key_board_val<=4'h5;
8'b11011011:
key_board_val<=4'h9;
8'b11010111:
key_board_val<=4'hD;
8'b10111110:
key_board_val<=4'h2;
8'b10111101:
key_board_val<=4'h6;
8'b10111011:
key_board_val<=4'hA;
8'b10110111:
key_board_val<=4'hE;
8'b01111110:
key_board_val<=4'h3;
8'b01111101:
key_board_val<=4'h7;
8'b01111011:
key_board_val<=4'hB;
8'b01110111:
key_board_val<=4'hF;
endcase
/*********************************************************************************/
//键盘值转换为数码管显示
/*********************************************************************************/
always*//（key_board_val）
begin
case（key_board_val）
4'h0:
dataout<=8'b11000000;//0
4'h1:
dataout<=8'b11111001;//1
4'h2:
dataout<=8'b10100100;//2
4'h3:
dataout<=8'b10110000;//3
4'h4:
dataout<=8'b10011001;//4
4'h5:
dataout<=8'b10010010;//5
4'h6:
dataout<=8'b10000010;//6
4'h7:
dataout<=8'b11111000;//7
4'h8:
dataout<=8'b10000000;//8
4'h9:
dataout<=8'b10010000;//9
4'hA:
dataout<=8'b10001000;//a
4'hB:
dataout<=8'b10000011;//b
4'hC:
dataout<=8'b11000110;//c
4'hD:
dataout<=8'b10100001;//d
4'hE:
dataout<=8'b10000110;//e
4'hF:
dataout<=8'b10001110;//f
endcase
end
/*********************************************************************************/
//键盘值转换为数码管显示结束
/*********************************************************************************/
endmodule
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