基于VHDL 的矩陣鍵盤及顯示電路設(shè)計(jì)

摘　要:為了有效防止機(jī)械式鍵盤按鍵抖動(dòng)帶來(lái)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,這里在Quartus Ⅱ開發(fā)環(huán)境下,采用VHDL 語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)C(jī)械式4 ×4 矩陣鍵盤的按鍵值依次顯示到8 個(gè)7 段數(shù)碼管上的矩陣鍵盤及顯示電路。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的矩陣鍵盤及顯示電路成功地實(shí)現(xiàn)了按鍵防抖和按鍵數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確顯示。以ACEX1K系列EP1K30QC208 芯片為硬件環(huán)境,驗(yàn)證了各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能的正確性。

　　FPGA/ CPLD 在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用,影響到了生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。在FPGA/ CPLD 的設(shè)計(jì)開發(fā)中,V HDL 語(yǔ)言作為一種主流的硬件描述語(yǔ)言,具有設(shè)計(jì)效率高, 可靠性好, 易讀易懂等諸多優(yōu)點(diǎn) 。作為一種功能強(qiáng)大的FPGA/ CPLD 數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境,Altera 公司推出的Quart us Ⅱ,為設(shè)計(jì)者提供了一種與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境,使設(shè)計(jì)者能方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、快速處理和器件編程,為使用V HDL 語(yǔ)言進(jìn)行FPGA/ CPLD 設(shè)計(jì)提供了極大的便利 。矩陣鍵盤作為一種常用的數(shù)據(jù)輸入設(shè)備,在各種電子設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)用,通過(guò)7 段數(shù)碼管將按鍵數(shù)值進(jìn)行顯示也是一種常用的數(shù)據(jù)顯示方式。在設(shè)計(jì)機(jī)械式矩陣鍵盤控制電路時(shí),按鍵防抖和按鍵數(shù)據(jù)的譯碼顯示是兩個(gè)重要方面。本文在Quart us Ⅱ開發(fā)環(huán)境下,采用V HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一種按鍵防抖并能連續(xù)記錄并顯示8 次按鍵數(shù)值的矩陣鍵盤及顯示電路。

　　1 　矩陣鍵盤及顯示電路設(shè)計(jì)思路

　　矩陣鍵盤及顯示電路能夠?qū)C(jī)械式4 ×4矩陣鍵盤的按鍵值依次顯示到8 個(gè)7段數(shù)碼管上,每次新的按鍵值顯示在最右端的第0 號(hào)數(shù)碼管上,原有第0～6號(hào)數(shù)碼管顯示的數(shù)值整體左移到第1～7號(hào)數(shù)碼管上顯示,見圖1 ?？傮w而言,矩陣鍵盤及顯示電路的設(shè)計(jì)可分為4 個(gè)部分:

　　(1) 矩陣鍵盤的行及列的掃描控制和譯碼。該設(shè)計(jì)所使用的鍵盤是通過(guò)將列掃描信號(hào)作為輸入信號(hào),控制行掃描信號(hào)輸出,然后根據(jù)行及列的掃描結(jié)果進(jìn)行譯碼。

　　(2) 機(jī)械式按鍵的防抖設(shè)計(jì)。由于機(jī)械式按鍵在按下和彈起的過(guò)程中均有5～10 ms 的信號(hào)抖動(dòng)時(shí)間,在信號(hào)抖動(dòng)時(shí)間內(nèi)無(wú)法有效判斷按鍵值,因此按鍵的防抖設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的,也是該設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。

　　(3) 按鍵數(shù)值的移位寄存。由于該設(shè)計(jì)需要在8 個(gè)數(shù)碼管上依次顯示前后共8 次按鍵的數(shù)值,因此對(duì)已有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用也是該設(shè)計(jì)的重點(diǎn)所在。

　　(4) 數(shù)碼管的掃描和譯碼顯示。由于該設(shè)計(jì)使用了8 個(gè)數(shù)碼管,因此需要對(duì)每個(gè)數(shù)碼管進(jìn)行掃描控制,并根據(jù)按鍵值對(duì)每個(gè)數(shù)碼管進(jìn)行7 段數(shù)碼管的譯碼顯示。

　　2 　矩陣鍵盤及顯示電路的實(shí)現(xiàn)

　　本文所設(shè)計(jì)的矩陣鍵盤及顯示電圖2 所示。其中, clk 為時(shí)鐘信號(hào)輸入端(頻率可為1 024～32 768 Hz) ; start 為清零控制端;kbrow 為列掃描信號(hào)輸入端; kbcol 為行掃描信號(hào)輸出端; scan 為數(shù)碼管地址掃描信號(hào)輸出端; seg7 為數(shù)碼管顯示信號(hào)輸出端。

圖1 　矩陣鍵盤及顯示電路原理圖

圖2 　矩陣鍵盤及顯示電路的電路符號(hào)