键盘及接口显示电路 EDA要点.docx
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键盘及接口显示电路EDA要点
河南科技大学
课程设计说明书
课程名称EDA技术
题目键盘及接口显示电路
学院车辆与动力工程学院
班级农业电气化与自动化091
学生姓名卢浩冉
指导教师罗四倍
日期2012年7月12号
键盘及接口显示电路
摘要
本文通过对4×4矩形键盘的信息采集,并能够在数码显示管上显示所按下的信息。
通过循环输出行信号,检测列信号输入,将行列信号相并,来达到采集信号的目地,并通过译码在7段数码管上显示出来。
此次设计,为了防止抖动引起的混乱,加入了一个防抖动环节。
在译完一个键值后,加了一个计算环节,一旦检测到列信号后,译码,紧跟着进入计数环节,此时键抖动不会进入其他环节,这样可以防止抖动。
给精度较高的场合应用提供了良好的条件,为以后高精度的应用创造良好空间。
设计中通过按键控制可以显示字符串,例如“HELLO”,较小的改动可以任意显示5个字符,这在广告中的用处随处可见,给现代生活带来了方便。
关键词:
键盘扫描译码显示字符串
第一章绪论
§1.1设计目的和意义
本次设计的目的就是通过实践深入理解计算机组成原理,了解EDA技术并掌握VHDL硬件描述语言的设计方法和思想。
以计算机组成原理为指导,通过学习的VHDL语言结合电子电路的设计知识理论联系实际,掌握所学的课程知识和基本单元电路的综合设计应用。
通过对掌握4×4键盘的扫描的巧妙实现和对字符串的显示过程.巩固和综合运用所学知识,提高IC设计能力,提高分析、解决计算机技术实际问题的独立工作能力。
§1.2设计任务及要求
1.键盘扫描功能:
能够对矩形键盘信息采集;
2.显示功能:
能够显示相应的按键信息,并能够在按键控制下切换为字符串显示“HELLO”!
掌握数码管工作的原理,并能够对设计的程序进行仿真和测试,以实现相应的功能。
第二章总体设计
§2.1工作原理
可编程器件的KEY_HANG[3..0]行信号输出端不停循环输出“1110”“1101”“1011”“0111”。
当没有键按下时可编程器件的KEY_LIE[3..0]列信号输入端检测到的是“1111”。
当有按键按下时,如按下1,此时KEY_HANG[3..0]行信号输出为“0111”,即KEY_HANG[3..0]的3管脚为“0”,可由电路看出,此时输入端KEY_LIE[3..0]检测到的将是“0111”。
KEY_LIE[3..0]的3管脚为0,可以在编写程序时,将输出信号KEY_HANG[3..0]与输入信号KEY_LIE[3..0]同时判断,比如可以认为当数据“KEY_HANG&KEY_LIE”为“01110111”时,可译码成数据1,。
同理可得其他按键的编码。
根据不同数据的编码译成不同的数据。
§2.2设计思路
1.循环输出行信号,检测列信号输入,将行列信号相并。
2.译键值。
3.去抖动。
在译没一个键值后,为了防止抖动,加了一个计算环节,一旦检测到列信号后,译码,紧跟着进入计数环节,此时键抖动不会进入其他环节,这样可以防止抖动。
4.数码管译码、循环显示。
电路的具体功能罗列如下:
1)采用4×4矩阵键盘作为操作数和操作符的输入设备。
2)采用2位8段数码管作为输出显示设备,显示按下的数字及简单的功能。
3)由于所有键盘在按下或者弹起的时候均有按键抖动,所以应该采用去抖电路,当检测到有按键按下去的时候,应该延时20ms后,再进行检测,如果仍有键盘按键被按下去的话,则进行键盘读值。
当CLK_1K上升沿到来时状态转为state0,然后判断列与非后的值,看是否有按键按下,如果有输入数据,则自动启动20ms的计数器,当计满数后,产生一个指示信号,此信号为1bit,高电平有效。
当读到此指示信号后,便再次将row信号锁存至寄存器,便得到键盘的一个返回值。
如果row没有变化,则state转换为state2,对第二行进行按键扫描。
依此类推,扫描第三行与第四行。
因为普通的按键都是接触式的,当按键闭合或释放时,上下接触面都会产生一个很短暂的抖动,如图2.2所示,这个抖动时间一般都会持续5-10ms,虽然这个抖动时间很短,但对于FPGA工作在50M的高频率上的器件来说,还是可以捕捉的到的。
为了使CPU对于一次按键操作只处理一次,在软件中必须加入去除抖动处理。
如图2.1所示
图2.1按键闭合时产生的抖动
由图中可以看出,最简单的去抖方法就是每隔一段时间读一次键盘,时间间隔大于10ms即可。
如果连续两次检测都有按键被按下,则可以肯定有按键被按下,而且也进入闭合稳定期。
§2.3数码管显示译码模块设计
数码管显示译码电路主要用来对实际的二进制数据装换为8段数码管的实际显示控制码,采用两个2位的8段共阴极数码管,数码管的显示方式有两种:
静态显示和动态显示。
具体如下:
静态显示方式:
所谓静态显示就是指无论是多少位数码管,同时处于显示状态需要的硬件电路较多(每一个数码管都需要一个锁存器),将造成很大的不便,同时由于所有数码管都处于被点亮状态,所以需要的电流很大,当数码管的数量增多时,对电源的要求也就随之增高。
所以,在大部分的硬件电路设计中,很少采用静态显示方式。
动态显示方式:
所谓动态显示,是指无论在任何时刻只有一个数码管处于显示状态,每个数码管轮流显示。
动态显示的优点是:
硬件电路简单(数码管越多,这个优势越明显),由于每个时刻只有一个数码管被点亮,所以所有数码管消耗的电流较小;缺点是:
数码管亮度不如静态显示时的亮度高,例如有8个数码管,以1秒为单位,每个数码管点亮的时间只有1/8秒,所以亮度较低;如果刷新率较低,会出现闪烁现象;如果数码管直接与单片机连接,软件控制上会比较麻烦等。
显示译码方式如下:
1)时钟上升沿到来时分别对位选和段选进行译码。
2)将输入的2bite位选数据译码成4比特数据控制数码管的2位,由于是共阴极数码管要选定相应的数码管则使该位位低电平,其它位为高电平即可,如:
0000译码为0111_1111,对应于实验板上的左边第一位数码管。
3)将输入的4bite段选数据译码为8比特数据控制8个LED的亮灭,最高位接A,最低位接小数点位DP。
若要显示0则对应的译码为8’b1111_1100。
§2.4字符串“HELLO”的模块实现
§2.4.1七段数码管译码扫描显示
clk:
时钟输入端,此信号是串行扫描的同步信号。
data_control[7..0]:
8个分别控制数码管显示的输入信号;
led_addr[7..0]:
对8个数码管进行串行扫描的输出控制信号;
seg7_data[6..0]:
驱动7段数码管各显示段的输出信号;
§2.4.2原理图
图2.2字符串显示原理图
第三章仿真
§3.1键盘扫描功能的仿真
没有键按下时行循环输出“1110”“1101”“1011”“0111”
图3.1无按键时波形
当随机按下时行保持所按下的状态不变
图3.2随机按键时波形
§3.2字符串的仿真
图3.3字符串显示
第四章程序
§4.1键盘扫描程序
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entityjpis
port(
clk,start:
instd_logic;
kbcol:
instd_logic_vector(3downto0);--行扫描信号
kbrow:
outstd_logic_vector(3downto0);--列扫描信号
seg7_out:
outstd_logic_vector(6downto0);--显示控制信号
scan:
outstd_logic_vector(7downto0)--数码管地址选择控制信号
);
endjp;
architectureoneofjpis
signalcount,sta:
std_logic_vector(1downto0);
signalseg7:
std_logic_vector(6downto0);
signaldat:
std_logic_vector(4downto0);
signalfn:
std_logic;--按键标志位,判断是否有键被按下
begin
scan<="00000001";--只使用一个数码管显示
--循环扫描计数器
process(clk)
begin
ifclk'eventandclk='1'then
count<=count+1;
endif;
endprocess;
--循环列扫描
process(clk)
begin
ifclk'eventandclk='1'then
casecountis
when"00"=>
kbrow<="0001";
sta<="00";
when"01"=>
kbrow<="0010";
sta<="01";
when"10"=>
kbrow<="0100";
sta<="10";
when"11"=>
kbrow<="1000";
sta<="11";
whenothers=>
kbrow<="1111";
endcase;
endif;
endprocess;
--行扫描译码
process(clk,start)
begin
ifstart='0'then
seg7<="0000000";
elsifclk'eventandclk='1'then
casestais
when"00"=>
casekbcolis
when"0001"=>
seg7<="1111001";
dat<="00011";
when"0010"=>
seg7<="1101101";
dat<="00010";
when"0100"=>
seg7<="0110000";
dat<="00001";
when"1000"=>
seg7<="1111110";
dat<="00000";
whenothers=>
seg7<="0000000";
dat<="11111";
endcase;
when"01"=>
casekbcolis
when"0001"=>
seg7<="1111000";
dat<="00111";
when"0010"=>
seg7<="1011111";
dat<="00110";
when"0100"=>
seg7<="1011011";
dat<="00101";
when"1000"=>
seg7<="0110011";
dat<="00100";
whenothers=>
seg7<="0000000";
dat<="11111";
endcase;
when"10"=>
casekb