矩阵键盘按键的数码管显示矩阵键盘按键的数码管显示.docx
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矩阵键盘按键的数码管显示矩阵键盘按键的数码管显示
一、矩阵键盘按键的数码管显示
1．实验目的
（1）掌握VHDL语言的语法规范，掌握时序电路描述方法
（2）掌握多个数码管动态扫描显示的原理及设计方法
2．实验所用仪器及元器件
计算机一台实验板一块电源线一根扁平线一根下载线一根
3．实验任务
要求设计出4*4矩阵键盘对某一按键按下就在数码管显示一个数字。
按键从左上角到右下角依次为1，2，…，16。
4．实验原理
按键模块原理
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。
键盘键值的获取:
键盘上的每一个按键其实就是一个开关电路，当某键被按下时，该按键的接点会呈现0的状态，反之，未被按下时则呈现逻辑1的状态。
扫描信号由row进入键盘，变化的顺序依次为1110-1101-1011-0111-1110。
每一次扫描一排，依次地周而复始。
例如现在的扫描信号为1011，代表目前正在扫描9,10,11,12这一排的按键，如果这排当中没有按键被按下的话，则由column读出的值为1111；反之当9这个按键被按下的话，则由column读出的值为1110。
根据上面所述原理，我们可得到各按键的位置与数码关系如表所示：
row
1110
1110
1110
1110
1101
1101
1101
1101
column
1110
1101
1011
0111
1110
1101
1011
0111
键值
1
2
3
4
5
6
7
8
row
1011
1011
1011
1011
0111
0111
0111
0111
column
1110
1101
1011
0111
1110
1101
1011
0111
键值
9
10
11
12
13
14
15
16
动态显示原理
为使得输入控制电路简单且易于实现，采用动态扫描的方式实现设计要求。
动态扫描显示需要由两组信号来控制：
一组是字段输出口输出的字形代码，用来控制显示的字形，称为段码；另一组是位输出口输出的控制信号，用来选择第几位数码管工作，称为位码。
各位数码管的相同段是并联的，段码的输出对各位数码管来说都是相同的。
因此在同一时刻如果各位数码管都处于点亮状态，6位数码管将显示相同的字符。
若要各位数码管能够显示出与本位相应的字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位处于点亮状态，而其它各位处于灭灯状态。
同时，段码输出相应位要显示字符的字型码。
这样在同一时刻，只有选通的那一位显示出字符，而其它各位则是熄灭的，如此循环下去，就可以使各位数码管显示出要显示的字符。
虽然这些字符是在不同时刻出现的，而且同一时刻，只有一位显示，其它各位熄灭，但由于数码管具有余辉特性和人眼有视觉暂留现象，只要每位数码管显示间隔足够短，给人眼的视觉印象就会是连续稳定地显示。
总之，多个数码管动态扫描显示，是将所有数码管的相同段并联在一起，通过选通信号分时控制各个数码管的公共端，循环点亮多个数码管，并利用人眼的视觉暂留现象，只要扫描的频率大于50Hz，将看不到闪烁现象。
5．设计思路
该程序可分为两个模块：
获取并存储键值模块和动态显示模块
获取并存储键值模块：
此次实验只要求仿真而不需要接硬件，因而不存在按键这个动作，所以键盘扫描原理在这里并不适用。
在程序设计中我们将row和column都设置为输入信号，则低电平出现的行和列所交处即为按键处，以此简单模拟按键。
根据上表所列，将对应按键的键值存储在key_code中。
这样就完成了键值的存储。
动态显示模块：
此次实验只需用到两个显示数码管，因此只要用一个高频时钟信号控制这两个数码管交替亮灭，并在对应位显示正确的键值，就完成动态显示了。
综上就可以实现矩阵案件的数码管显示了。
具体流程图如下：
6．仿真波形
当row=1110，column=1110时，key_code=0000，键值为1，所以第一个数码管不亮，第二个数码管显示1，如下图：
当row=0111，column=0111时，key_code=1111，键值为16，所以第一个数码管显示1，第二个数码管显示6，如下图：
7.硬件实现
以上步骤都完成后，在硬件上实现就比较简单了。
此时要注意两个问题：
第一，时钟频率的设置，在仿真时由于没有外在时钟源，所以把row和column都设置为手动输入，但当在硬件上实现时要采用实验板上的低频时钟源，并设计分频电路提供合适的时钟频率。
这就需要对程序做相应的修改；第二，管脚号的编写，根据各实物图纸标号和ATF1508的对应关系编写对应管脚号。
接下来要做的就是硬件连接，然后就是下载程序。
程序通过编译后生成*.pof文件，用pof2jed软件将文件转换为jed格式，然后用AtmelISP软件实现下载。
如果下载成功的话，就能实现从左上到右下按键分别显示数字1-16。
8.实物展示
二、数码管学号滚动显示
1．实验目的
（1）掌握VHDL语言的语法规范，掌握时序电路描述方法
（2）掌握多个数码管动态扫描显示的原理及设计方法
2．实验所用仪器及元器件
计算机一台实验板一块电源线一根扁平线一根下载线一根
3.实验任务
要求学生在六个数码管滚动显示自己的学号（六位），每隔一定时间循环移位一次，学号为奇数则左移，学号为偶数则右移。
间隔时间可由开关选择1秒，2秒，3秒和4秒。
4.实验原理
该实验同样主要用到按键模块和数码管的动态显示，实验原理和实验一所阐述的相同。
5.设计思路
循环右滚动，始终点亮6个数码管，左出右进。
状态为：
010506－105060－050601－506010－060105－601050－010506
主要思路如下：
（1）加入按键控制，主要用到4个键，用来选择不同的移位周期。
具体实现方案是引入一个变量time_count，用时钟信号和按键值来控制time_count的累加周期，从而控制移位周期。
例如当按2键，key_code=0001,time_count以000,001为周期循环计数（即2s），每循环一次，shift就加1即移位周期为2s（shift控制移位）。
以此类推，可以选择1s,2s,3s,4s不同的移位周期。
（2）为实现移位，关键改动为新增一个计数器，计数周期远远大于扫描周期，这样，在一个大的计数周期内，对于要显示的6位数码进行动态扫描，显示出6种移位状态中的一种；在下一个大的周期内，计数变量shift加1。
定义led_sel_count来控制初始时刻对应位显示的数字（固定不变的关系），定义led_sel_llb控制数字显示的对应位置，则led_sel_llb=led_sel_count+shift则代表相对于初始时刻移位shift位后该数字显示的对应位，这样就实现了移位。
以此类推，实现循环移位。
（3）按键模块和动态显示模块同实验一
具体流程图如下：
6.仿真波形
1 Row=1110，Column=1110，key_code=0000,shift的计数周期是1s,即移位周期为1s
2 Row=1110，Column=1101，key_code=0001,time_count以000，001循环计数，shift的周期为2s即移位周期为2s
3 Row=1110，Column=1011，key_code=0010,time_count以000,001,010循环计数，shift的周期为3s即移位周期为3s
4 Row=1110，Column=1110，key_code=0011,time_count以000,001,010,011循环计数，shift的周期为4s即移位周期为4s
7.硬件实现
这个实验要注意的问题和上一个实验基本相同。
这个实验涉及到动态显示，所以还要特别注意Clk和Clk-temp的设置，后者要比前者大的多才能实现动态显示。
程序编译通过后连接硬件并进行下载，下载成功则可以实现学号的动态显示和右移，并通过按键选择右移的周期。
8.体会和建议
由于上学期没有做过软件部分，所以这学期的任务还是比较重的。
但是老师给的资料很全，照着资料一步步做下来还比较顺利。
但还是发生了一些小插曲，AtmelISP支持的下载文件类型为*.JED，而JED文件是由POF文件转换而来的。
但是我们在编译的文件夹中却找不到POF文件，最后XX得知Quartus6.0版本编译后无法生成POF文件，必须破解到9.0版本才行。
还有一开始电源线是坏的，下载一直不成功，但这个问题很快就排查出来了。
之前同学告诉我们下载不成功是因为热插拔冷插拔的原因，后来发现其实那个没什么关系貌似，是下载的电源线有问题。
我觉得课程设计的安排是有必要的，让我学到了很多：
首先就是排查故障的方法，在确保软件不出错的情况下找硬件问题，这样一级级排查很有效；其次就是善于发现问题并有效解决问题的能力。
通过这个阶段的努力把学到的理论知识运用到实践中，更直观也有利于对理论知识的理解。
9.附录（VHDL源程序）
-测试数码管，控制最右边2个数码管动态显示1~16
--40M有源晶振2脚
--32.768晶振83脚
--数码管a~h75,76,77,79,80,81,69,70
--6个选择管脚54,55,56,57,58,60
LIBRARYieee;
USEieee.std_logic_1164.all;
USEieee.std_logic_unsigned.all;
--显示模块
ENTITYcount2IS
PORT（
clk:
INSTD_LOGIC;--40M高频时钟，也可以接低频时钟，看数码管显示的情况
led_out:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--数码管8段显示，可显示0~9，A~F
led_sel:
bufferSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）;--选择6个数码管，‘1’表示点亮对应数码管
row:
outSTD_LOGIC_VECTOR（3downto0）;--行列式键盘的4行
column:
inSTD_LOGIC_VECTOR（3downto0）--行列式键盘的4列
）;
ENDcount2;
ARCHITECTUREBehaviorOFcount2IS
SIGNALclk_temp:
STD_LOGIC;--分频后的电路时钟输出
signaldata:
STD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;--数码管要显示的数0~15表示1~16
signalled_sel_count:
STD_LOGIC;--用于选择第5个和第6个数码管，分别用1和0代表
SIGNALdiv_cnt:
std_logic_vector（1downto0）;--行扫描驱动
SIGNALscan_key:
std_logic_vector（3DOWNTO0）;--扫描码寄存器
SIGNALkey_code:
std_logic_vector（3DOWNTO0）;--存储键值
begin
row<=scan_key;
data<=key_code;
PROCESS（clk）--行扫描驱动，产生行扫描的值
BEGIN
IF（clk'EVENTANDclk='0'）THEN
div_cnt<=div_cnt+1;
ENDIF;
ENDPROCESS;
PROCESS（div_cnt）
BEGIN
CASEdiv_cntIS
WHEN"00"=>scan_key<="1110";
WHEN"01"=>scan_key<="1101";
WHEN"10"=>scan_key<="1011";
WHEN"11"=>scan_key<="0111";
WHENOTHERS=>NULL;
ENDCASE;
ENDPROCESS;
PROCESS（clk）
BEGIN
IF（clk'EVENTANDclk='1'）THEN
CASEscan_keyIS--检测何处有键按下
WHEN"1110"=>
CASEcolumnIS
WHEN"1110"=>
key_code<="0000";
WHEN"1101"=>
key_code<="0001";
WHEN"1011"=>
key_code<="0010";
WHEN"0111"=>
key_code<="0011";
WHENOTHERS=>
NULL;
ENDCASE;
WHEN"1101"=>
CASEcolumnIS
WHEN"1110"=>
key_code<="0100";
WHEN"1101"=>
key_code<="0101";
WHEN"1011"=>
key_code<="0110";
WHEN"0111"=>
key_code<="0111";
WHENOTHERS=>
NULL;
ENDCASE;
WHEN"1011"=>
CASEcolumnIS
WHEN"1110"=>
key_code<="1000";
WHEN"1101"=>
key_code<="1001";
WHEN"1011"=>
key_code<="1010";
WHEN"0111"=>
key_code<="1011";
WHENOTHERS=>
NULL;
ENDCASE;
WHEN"0111"=>
CASEcolumnIS
WHEN"1110"=>
key_code<="1100";
WHEN"1101"=>
key_code<="1101";
WHEN"1011"=>
key_code<="1110";
WHEN"0111"=>
key_code<="1111";
WHENOTHERS=>
NULL;
ENDCASE;
WHENOTHERS=>
key_code<="1111";
ENDCASE;
ENDIF;
ENDPROCESS;
process（clk）--显示数据
begin
if（clk'eventandclk='0'）then--下降沿有效
led_sel_count<=NOTled_sel_count;--在0和1之间切换
caseled_sel_countis
when'0'=>led_sel<="000001";--点亮第6个数码管
when'1'=>led_sel<="000010";--点亮第5个数码管
whenothers=>led_sel<="000001";
endcase;
casedatais--显示到对应数码管的数据
when"0000"=>if（led_sel_count='0'）then--0表示要显示1
led_out<=X"f9";--数码管6显示1
elseled_out<=X"ff";--数码管5显示空
endif;
when"0001"=>if（led_sel_count='0'）then--1表示要显示2
led_out<=X"a4";--数码管6显示2
elseled_out<=X"ff";--数码管5显示空
endif;
when"0010"=>if（led_sel_count='0'）then--2表示要显示3
led_out<=X"b0";--数码管6显示3
elseled_out<=X"ff";--数码管5显示空
endif;
when"0011"=>if（led_sel_count='0'）then--3表示要显示4
led_out<=X"99";--数码管6显示4
elseled_out<=X"ff";--数码管5显示空
endif;
when"0100"=>if（led_sel_count='0'）then--4表示要显示5
led_out<=X"92";--数码管6显示5
elseled_out<=X"ff";--数码管5显示空
endif;
when"0101"=>if（led_sel_count='0'）then--5表示要显示6
led_out<=X"82";--数码管6显示6
elseled_out<=X"ff";--数码管5显示空
endif;
when"0110"=>if（led_sel_count='0'）then--6表示要显示7
led_out<=X"f8";--数码管6显示7
elseled_out<=X"ff";--数码管5显示空
endif;
when"0111"=>if（led_sel_count='0'）then--7表示要显示8
led_out<=X"80";--数码管6显示8
elseled_out<=X"ff";--数码管5显示空
endif;
when"1000"=>if（led_sel_count='0'）then--8表示要显示9
led_out<=X"90";--数码管6显示9
elseled_out<=X"ff";--数码管5显示空
endif;
when"1001"=>if（led_sel_count='0'）then--9表示要显示10
led_out<=X"c0";--数码管6显示0
elseled_out<=X"f9";--数码管5显示1
endif;
when"1010"=>if（led_sel_count='0'）then--10表示要显示11
led_out<=X"f9";--数码管6显示1
elseled_out<=X"f9";--数码管5显示1
endif;
when"1011"=>if（led_sel_count='0'）then--11表示要显示12
led_out<=X"a4";--数码管6显示2
elseled_out<=X"f9";--数码管5显示1
endif;
when"1100"=>if（led_sel_count='0'）then--12表示要显示13
led_out<=X"b0";--数码管6显示3
elseled_out<=X"f9";--数码管5显示1
endif;
when"1101"=>if（led_sel_count='0'）then--13表示要显示14
led_out<=X"99";--数码管6显示4
elseled_out<=X"f9";--数码管5显示1
endif;
when"1110"=>if（led_sel_count='0'）then--14表示要显示15
led_out<=X"92";--数码管6显示5
elseled_out<=X"f9";--数码管5显示1
endif;
when"1111"=>if（led_sel_count='0'）then--15表示要显示16
led_out<=X"82";--数码管6显示6
elseled_out<=X"f9";--数码管5显示1
endif;
whenothers=>led_out<=X"ff";
endcase;
endif;
endprocess;
endBehavior;
数码管学号滚动显示代码
--测试数码管，控制最右边2个数码管动态显示1~16
--32.768晶振83脚
--数码管a~h75,76,77,79,80,81,69,70
--6个选择管脚54,55,56,57,58,60
LIBRARYieee;
USEieee.std_logic_1164.all;
USEieee.std_logic_unsigned.all;
--显示模块
ENTITYllbIS
PORT（
clk:
INSTD_LOGIC;--接低频时钟32.768KHz，已经进过ＣＤ４０６的５分频
led_out:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--数码管8段显示，可显示0~9，A~F
led_sel:
bufferSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）;--选择6个数码管，‘1’表示点亮对应数码管
row:
outSTD_LOGIC_VECTOR（3downto0）;--行列式键盘的4行
column:
inSTD_LOGIC_VECTOR（3downto0）--行列式键盘的4列
）;
ENDllb;
ARCHITECTUREBehaviorOFllbIS
signalclk_temp:
std_logic;--用作分频后的电路时钟
signalled_sel_count:
std_logic_vector（3DOWNTO0）;--信号量，6个数码管显示的选择
signaldiv_cnt:
std_logic_v
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