矩阵键盘显示.docx
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矩阵键盘显示
EDA基础实验分册
矩阵键盘显示电路的设计
一、键盘显示原理
1键盘实现方案
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很强，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
2键盘抖动的产生及去抖
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。
我们可以在时钟的上升沿捕获一个稳定的按键值，从而达到消抖的目的。
图10-2按键抖动
3键盘扫描
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。
4*4的键盘面配置
5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Kr3～Kr0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2、5、8，0这一排的按键，如果这排当中没有按键被按下的话，则由Kc3～Kc0读出的值为1111；反之当7这个按键被按下的话，则由Kc3～Kc0读出的值为1101。
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。
如表按键位置与数码关系
Kr3-kr0
0111
0111
0111
0111
1011
1011
1011
1011
Kc3-kc0
0111
1011
1101
1110
0111
1011
1101
1110
键值
1
4
7
14
2
5
8
0
Kr3-kr0
1101
1101
1101
1101
1110
1110
1110
1110
Kc3-kc0
0111
1011
1101
1110
0111
1011
1101
1110
键值
3
6
9
15
10
11
12
13
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。
二、实验内容
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
信号名称
对应FPGA管脚名
说明
KEY-C0
AC18
钜阵键盘的第1列选择
KEY-C1
AC17
钜阵键盘的第2列选择
KEY-C2
AD17
钜阵键盘的第3列选择
KEY-C3
AC16
钜阵键盘的第4列选择
KEY-R0
AD16
钜阵键盘的第1行选择
KEY-R1
AC15
钜阵键盘的第2行选择
KEY-R2
AD15
钜阵键盘的第3行选择
KEY-R3
AC14
钜阵键盘的第4行选择
表10-14X4矩阵键与FPGA的管脚连接表
三、实验步骤
1.下面我们建立一个矩阵键盘显示的VHDL工程
1）选择开始>程序>Altera>QuartusII5.1，运行QUARTUSII软件。
或者双击桌面上的QUARTUSII的图标运行QUARTUSII软件，出现如图1-3所示。
图1-3QUARTUSII软件运行界面
2）选择软件中的菜单File>NewProjectWizard，新建一个工程。
如图1-4所示。
图1-4新建工程对话框
3）点击图1-4中的NEXT进入工作目录，工程名的设定对话框如图1-5所示。
第一个输入框为工程目录输入框，用户可以输入如e:
/eda等工作路径来设定工程的目录，设定好后，所有的生成文件将放入这个工作目录。
第二个输入框为工程名称输入框，第三个输入框为顶层实体名称输入框。
用户可以设定如EXP1，一般情况下工程名称与实体名称相同。
使用者也可以根据自已的实际情况来设定工程名和顶层文件名。
注：
本处的顶层文件名必须和程序的实体名一致，否则编译会出错。
图1-5指定工程名称及工作目录
4）点击NEXT，进入下一个设定对话框，按默认选项直接点击NEXT进行器件选择对话框。
如图1-6所示。
这里我们以选用CycloneII系列芯片EP2C35F672C8为例进行介绍。
用户可以根据使用的不同芯片来进行设定。
图1-6器件选择界面
首先在对话框的左上方的Family下拉菜单中选取CycloneII，在中间右边的Speedgrade下拉菜单中选取8，在左下方的Availabledevices框中选取EP2C35F672C8，点击NEXT完成器件的选取，进入EDATOOL设定界面如图1-7所示。
图1-7EDATOOL对话框
5）按默认选项，点击Next出现新建工程以前所有的设定信息，如图1-8所示，点击Finish完成新建工程的建立。
图1-8新建工程信息
2、建立VHDL设计文件
1）在创建好设计工程后，选择File>NEW…菜单，出现图1-9所示的新建设计文件类型选择窗口。
这里我们以建立VHDL设计文件为例进行说明。
图1-9新建设计文件选择窗口
2）在New对话框（图1-9）中选择DeviceDesignFiles页下的VHDLFile，点击OK按钮，打开图形编辑器对话框，如图1-10所示。
图中标明了常用的每个按钮的功能
3）在文本编辑器中输入如下VHDL程序：
--下面是引用库-------------------------------------
libraryieee;--库函数
useieee.std_logic_1164.all;--定义了std_logic数据类型及相应运算
useieee.std_logic_arith.all;
--定义了signed和unsigned数据类型、相应运算和相关类型转换函数
useieee.std_logic_unsigned.all;
--定义了一些函数，可以使std_logic_vector类
--型被当作符号数或无符号数一样进行运算
------------------------------------------------------------------------
--下面是结构实体
----------------------------------------------------------------
entityexp10is--exp10为实体名
port（Clk:
instd_logic;--时钟信号
Kr:
instd_logic_vector（3downto0）;--键盘行
Kc:
bufferstd_logic_vector（3downto0）;--键盘列
a,b,c,d,e,f,g:
outstd_logic;--七段码管显示
Sa,sb,sc:
bufferstd_logic）;--七段码管片选
endexp10;--结束实体
--------------------------------------------------------------------
architecturebehaveofexp10is--behave为结构体名
signalkeyr,keyc:
std_logic_vector（3downto0）;--键盘行列扫描信号量
signalkcount:
std_logic_vector（2downto0）;
signaldcount:
std_logic_vector（2downto0）;
signalkflag1,kflag2:
std_logic;
signalbuff1,buff2,buff3,buff4,buff5,buff6,buff7,buff8:
integerrange0to15;
signalDisp_Temp:
integerrange0to15;
signalDisp_Decode:
std_logic_vector（6downto0）;
begin
process（Clk）--扫描键盘扫描键盘的列
begin
if（Clk'eventandClk='1'）then
if（Kr="1111"）then
kflag1<='0';
kcount<=kcount+1;
if（kcount=0）then
kc<="1110";--扫描第一列
elsif（kcount=1）then
kc<="1101";--扫描第二列
elsif（kcount=2）then
kc<="1011";--扫描第三列
else
kc<="0111";--扫描第四列
endif;
else
kflag1<='1';
keyr<=Kr;
keyc<=Kc;
endif;
kflag2<=kflag1;
endif;
endprocess;
process（Clk）--显示右移
begin
if（Clk'eventandClk='1'）then--上升沿
if（kflag1='1'andkflag2='0'）then
buff1<=buff2;--移位
buff2<=buff3;
buff3<=buff4;
buff4<=buff5;
buff5<=buff6;
buff6<=buff7;
buff7<=buff8;
endif;
endif;
endprocess;
process（Clk）--获取键值
begin
if（Clk'eventandClk='1'）then
if（kflag1='1'andkflag2='0'）then
if（keyr="0111"）then--扫描第一列
casekeycis
when"0111"=>buff8<=1;--扫描第一行
when"1011"=>buff8<=4;--扫描第二行
when"1101"=>buff8<=7;--扫描第三行
when"1110"=>buff8<=14;--扫描第四行
whenothers=>buff8<=buff8;--nochange
endcase;
elsif（keyr="1011"）then--扫描第二列
casekeycis
when"0111"=>buff8<=2;--扫描第一行
when"1011"=>buff8<=5;--扫描第二行
when"1101"=>buff8<=8;--扫描第三行
when"1110"=>buff8<=0;--扫描第四行
whenothers=>buff8<=buff8;--nochange
endcase;
elsif（keyr="1101"）then--扫描第三列
casekeycis
when"1110"=>buff8<=15;--扫描第一行
when"1101"=>buff8<=9;--扫描第二行
when"1011"=>buff8<=6;--扫描第三行
when"0111"=>buff8<=3;--扫描第四行
whenothers=>buff8<=buff8;--nochange
endcase;
elsif（keyr="1110"）then--扫描第四列
casekeycis
when"1110"=>buff8<=13;--扫描第一行
when"1101"=>buff8<=12;--扫描第二行
when"1011"=>buff8<=11;--扫描第三行
when"0111"=>buff8<=10;--扫描第四行
whenothers=>buff8<=buff8;--nochange
endcase;
endif;
endif;
endif;
endprocess;
process（dcount）--数码管驱动扫描
begin
case（dcount）is
when"000"=>Disp_Temp<=buff1;--扫描第一个数码管
when"001"=>Disp_Temp<=buff2;--扫描第二个数码管
when"010"=>Disp_Temp<=buff3;--扫描第三个数码管
when"011"=>Disp_Temp<=buff4;
when"100"=>Disp_Temp<=buff5;
when"101"=>Disp_Temp<=buff6;
when"110"=>Disp_Temp<=buff7;
when"111"=>Disp_Temp<=buff8;--'1'
endcase;
endprocess;
process（Clk）
begin
if（Clk'eventandClk='1'）then--扫描累加
dcount<=dcount+1;
a<=Disp_Decode（0）;--七段数码管a段赋值
b<=Disp_Decode
（1）;--七段数码管b段赋值
c<=Disp_Decode
（2）;--七段数码管c段赋值
d<=Disp_Decode（3）;--七段数码管d段赋值
e<=Disp_Decode（4）;--七段数码管e段赋值
f<=Disp_Decode（5）;--七段数码管f段赋值
g<=Disp_Decode（6）;--七段数码管g段赋值
sa<=dcount（0）;--数码管的片选信号赋值第一位
sb<=dcount
（1）;--数码管的片选信号赋值第二位
sc<=dcount
（2）;--数码管的片选信号赋值第三位
endif;
endprocess;
process（Disp_Temp）--显示转换
begin
caseDisp_Tempis
when0=>Disp_Decode<="0111111";--'0'
when1=>Disp_Decode<="0000110";--'1'
when2=>Disp_Decode<="1011011";--'2'
when3=>Disp_Decode<="1001111";--'3'
when4=>Disp_Decode<="1100110";--'4'
when5=>Disp_Decode<="1101101";--'5'
when6=>Disp_Decode<="1111101";--'6'
when7=>Disp_Decode<="0000111";--'7'
when8=>Disp_Decode<="1111111";--'8'
when9=>Disp_Decode<="1101111";--'9'
when10=>Disp_Decode<="1110111";--'A'
when11=>Disp_Decode<="1111100";--'b'
when12=>Disp_Decode<="0111001";--'C'
when13=>Disp_Decode<="1011110";--'d'
when14=>Disp_Decode<="1111001";--'E'
when15=>Disp_Decode<="1110001";--'-'
whenothers=>Disp_Decode<="0000000";--全灭
endcase;
endprocess;
endbehave;
关于VHDL，我们以上面键盘显示程序为例来解释VHDL的语法构成，以使大家对VHDL有个整体的把握。
一个VHDL程序有三部分构成，其为:
1.库和包library（设计资源）；
2.实体entity（外部端口）
3.结构体architecture（内部结构）
①库和包library（设计资源）的介绍
1.1useieee.std_logic_1164.all;--定义了std_logic数据类型及相应运算
1.2useieee.std_logic_arith.all;--定义了signed和unsigned数据类型、相应运算
--和相关类型转换函数
1.3useieee.std_logic_unsigned.all;--定义了一些函数，可以使std_logic_vector
--类型被当作符号数或无符号数一样进行运算
本程序中用到3个库函数包：
如下：
补充：
当使用库时，需要说明使用的库名称，同时需要说明库中包集合的名称及范围；每个实体都应独立进行库的说明；库的说明应该在实体之前；经过说明后，实体和结构体就可以自动调用库中的资源；
②实体entity（外部端口）
entityexp10is--exp10为实体名
port（Clk:
instd_logic;--时钟信号
Kr:
instd_logic_vector（3downto0）;--键盘行
Kc:
bufferstd_logic_vector（3downto0）;--键盘列
a,b,c,d,e,f,g:
outstd_logic;--七段码管显示
Sa,sb,sc:
bufferstd_logic）;--七段码管片选
endexp10;--结束实体
实体说明主要描述对象的外貌，即对象的输入和输出（I/O）的端口信息，它并不描述器件的具体功能。
在电路原理图上实体相当于元件符号。
Clka--g
Krkc
SaSbSc
③结构体architecture（内部结构）
结构体具体指明了该设计实体的行为，定义了该设计实体的功能，规定了该设计实体的数据流程，指派了实体中内部元件的连接关系。
architecturebehaveofexp10is--behave为结构体名
signalkeyr,keyc:
std_logic_vector（3downto0）;
--键盘行列扫描信号量
signalkcount:
std_logic_vector（2downto0）;
signaldcount:
std_logic_vector（2downto0）;
signalkflag1,kflag2:
std_logic;
signalbuff1,buff2,buff3,buff4,buff5,buff6,buff7,buff8:
integerrange0to15;
signalDisp_Temp:
integerrange0to15;
signalDisp_Decode:
std_logic_vector（6downto0）;
begin
process（Clk）--扫描键盘扫描键盘的列
begin
if（Clk'eventandClk='1'）then
if（Kr="1111"）then
kflag1<='0';
kcount<=kcount+1;
if（kcount=0）then
kc<="1110";--扫描第一列
elsif（kcount=1）then
kc<="1101";--扫描第二列
elsif（kcount=2）then
kc<="1011";--扫描第三列
else
kc<="0111";--扫描第四列
endif;
else
kflag1<='1';
keyr<=Kr;
keyc<=Kc;
endif;
kflag2<=kflag1;
endif;
endprocess;
process（Clk）--显示右移
begin
if（Clk'eventandClk='1'）then--上升沿
if（kflag1='1'andkflag2='0'）then
buff1<=buff2;--移位
buff2<=buff3;
buff3<=buff4;
buff4<=buff5;
buff5<=buff6;
buff6<=buff7;
buff7<=buff8;
endif;
endif;
en
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