基于FPGA的鍵盤(pán)掃描模塊的設(shè)計(jì)

引言

在現(xiàn)代的個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，一般都采用通用的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)(如:標(biāo)準(zhǔn)101/102鍵盤(pán)或Microsoft自然PS/2鍵盤(pán))來(lái)實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間的接口交互，從而將需要的各種數(shù)據(jù)和指令等信息都通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)輸人計(jì)算機(jī)川。

但是，各種嵌人式系統(tǒng)(如:手機(jī)、微波爐、電風(fēng)扇等)所需的鍵盤(pán)的按鍵個(gè)數(shù)非常有限，通常為幾個(gè)到十幾個(gè)不等‘而標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)通常為二百多個(gè)按鍵)，并且每個(gè)按鍵所代表的功能含義也各不相同。所以，每一種嵌人式系統(tǒng)都應(yīng)對(duì)鍵盤(pán)(包括鍵盤(pán)掃描模塊和相關(guān)控制信號(hào)等)進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)，以便結(jié)合工程實(shí)際情況充分利用該系統(tǒng)已有的各種資源，使所設(shè)計(jì)的鍵盤(pán)很好地融合到嵌人式系統(tǒng)中。

鍵盤(pán)掃描的基本知識(shí)

1.編碼鍵盤(pán)和掃描鍵盤(pán)

在數(shù)字電路中，可以利用編碼器實(shí)現(xiàn)按鍵鍵值的直接編碼，以將每個(gè)按鍵的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)連接到編碼器的每一個(gè)輸人端。這樣，通過(guò)編碼邏輯就可以在編碼器的輸出端得到對(duì)應(yīng)于每個(gè)按鍵的碼值，早期稱這種鍵盤(pán)為編碼鍵盤(pán)。但是當(dāng)按鍵較多時(shí)，數(shù)碼邏輯的成本就較高，并且直接編碼的方法也不夠靈活，而且一旦編碼邏輯固定就難于更改。

當(dāng)通用鍵盤(pán)上或按鍵數(shù)量較多時(shí)，普遍采用掃描方式產(chǎn)生鍵值。因此，可將按鍵連接成矩陣，每個(gè)按鍵位于某行、某列的交點(diǎn)上位口圖1所示)，先通過(guò)掃描方式確定按下鍵的行列位置，稱為位置碼或掃描碼。再查表將位置碼轉(zhuǎn)換為按鍵碼值或者直接使用掃描碼，有些參考書(shū)稱此為“非編碼鍵盤(pán)”。但這種名稱容易讓人誤解為沒(méi)有對(duì)應(yīng)的鍵值，因此又稱為掃描式鍵盤(pán)。

圖1行列式掃描健盤(pán)示意圖

2.硬件掃描鍵盤(pán)與軟件掃描鍵盤(pán)

如果執(zhí)行掃描的過(guò)程由硬件邏輯實(shí)現(xiàn)，則將這種鍵盤(pán)稱為硬件掃描鍵盤(pán)或電子掃描式編碼鍵盤(pán)。在執(zhí)行鍵盤(pán)掃描時(shí)應(yīng)注意一個(gè)問(wèn)題，即鍵在閉合過(guò)程中往往存在一些難以避免的機(jī)械性抖動(dòng)，使輸出信號(hào)也發(fā)生抖動(dòng)，通常達(dá)10一20毫秒寬。若不避開(kāi)抖動(dòng)區(qū)，則可能誤認(rèn)為多次按鍵。因此應(yīng)該設(shè)置硬件延時(shí)電路，延遲數(shù)十毫秒后再讀取鍵值，這種電路稱為去抖電路〕還應(yīng)注意一個(gè)問(wèn)題，即當(dāng)前一個(gè)鍵值還未送出，而又有按鍵按下時(shí)，后邊的鍵值將覆蓋前邊的鍵值，造成鍵值丟失問(wèn)題。通常可以設(shè)置一控制信號(hào).僅當(dāng)前一鍵值送出后才允許產(chǎn)生后一鍵值，或者設(shè)置一組寄存器來(lái)保存前邊若十個(gè)鍵值，等待系統(tǒng)逐個(gè)按順序處理。

硬件掃描鍵盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)是不需要主機(jī)擔(dān)負(fù)掃描任務(wù)，儀當(dāng)產(chǎn)生鍵值后才向主機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU以相應(yīng)中斷方式接收按鍵鍵值，或者CPU定時(shí)從某個(gè)地址獲取按鍵鍵值。該方式大大減輕了CPU的運(yùn)行負(fù)荷，使其能以更多的時(shí)間去運(yùn)行其它程序。

當(dāng)然也可以執(zhí)行鍵盤(pán)掃描程序，由CPU通過(guò)軟件方法對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描。圖2便是一種鍵盤(pán)掃描程序的流程圖，這種鍵盤(pán)稱為軟件掃描鍵盤(pán)。按鍵時(shí)，鍵盤(pán)向主機(jī)提出中斷請(qǐng)求。由軟件掃描鍵盤(pán)來(lái)獲得按鍵鍵值；或者由CPU定期執(zhí)行鍵盤(pán)掃描程序，從而獲得按鍵鍵值。即在掃描方法稱為逐行掃描法，當(dāng)有鍵按下時(shí)，首先獲得此鍵的列值，然后逐行掃描就可以判斷出按鍵所在的行值。這樣，由行列值就可以通過(guò)轉(zhuǎn)換得到按鍵鍵值。當(dāng)然，要在執(zhí)行鍵盤(pán)掃描過(guò)程中加人一定的延時(shí)，以去除抖動(dòng)影響。

圈2一種盤(pán)婦描租序流程圈

如果系統(tǒng)對(duì)CPU的運(yùn)行速度要求較高，并且CPU的負(fù)荷較重、系統(tǒng)資源比較緊張，則可以在鍵盤(pán)中設(shè)置一個(gè)單片機(jī)，由它負(fù)責(zé)執(zhí)行鍵盤(pán)掃描程序，然后向CPU申請(qǐng)中斷并送出掃描碼或者按鍵鍵值。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的通用鍵盤(pán).大多采用這樣的鍵盤(pán)掃描方法。

基于FPGA的設(shè)計(jì)方法

1. 實(shí)現(xiàn)方法分析

根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要.擬實(shí)現(xiàn)的鍵盤(pán)掃描模塊應(yīng)具有如下特點(diǎn):

I)該模塊應(yīng)能實(shí)時(shí)地將掃描所得的鍵值信息寫(xiě)人存儲(chǔ)器指定地址，其中鍵值信息包括同一按鍵的重復(fù)次數(shù)和鍵值，系統(tǒng)軟件則應(yīng)能定時(shí)從該地址讀取鍵值信息以執(zhí)行相應(yīng)的操作

2)鍵盤(pán)去抖動(dòng)所采用的方法是多次掃描法，當(dāng)連續(xù)幾次掃描到同一鍵值時(shí)就認(rèn)為此鍵被按下了，這樣就完成了去抖動(dòng)操作。

3)由于本項(xiàng)目不需要AS(:I I字符編碼按鍵，故應(yīng)將按鍵值設(shè)計(jì)為1一20直接送出。

4)為了能表示長(zhǎng)時(shí)間按鍵的操作，當(dāng)確定某一按鍵按下時(shí).以后梅隔一定時(shí)間才掃描一次，若獲得同一鍵值，則將按鍵重復(fù)次數(shù)加一同時(shí)將重復(fù)次數(shù)和鍵值組合成鍵值信急送出;并在延遲一定時(shí)間后再次掃描……

2.基于FPGA的具體實(shí)現(xiàn)

本文擬采用四個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)掃描功能，分別是即時(shí)掃描模塊、掃描控制模塊、掃描脈沖模塊和鍵值傳送模塊。圖3是其模塊工作流程。

圈3實(shí)現(xiàn)健盤(pán)掃描的模塊結(jié)構(gòu)

(1)即時(shí)掃描模塊

輸人信號(hào):

CLKSMHZ：時(shí)鐘信號(hào)，用于產(chǎn)生時(shí)序；

KB_IN[3:0]：由鍵盤(pán)矩陣送來(lái)的檢測(cè)信號(hào);

SCAN：掃描指示信號(hào)，每一個(gè)正脈沖到來(lái)時(shí)執(zhí)行一次鍵盤(pán)掃描

輸出信號(hào)：

KB一 OU T[4:O]：輸出到鍵盤(pán)的控制信號(hào)，以便從鍵盤(pán)矩陣取得相應(yīng)的信

號(hào)并進(jìn)行檢測(cè);

VALUE[7:0]：掃描所得的即時(shí)鍵值輸出到掃描控制模塊，以便進(jìn)行抖動(dòng)。

模塊功能描述:

本模塊用于完成鍵盤(pán)即時(shí)掃描功能當(dāng)檢測(cè)到SCAN信號(hào)有一個(gè)窄脈沖到來(lái)時(shí)，模塊內(nèi)部將產(chǎn)生一組相應(yīng)的KB_ OUT信號(hào)并輸出到鍵盤(pán)矩陣，然后再對(duì)KB_ IN輸人信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，以判斷有無(wú)鍵被按下以及哪個(gè)鍵被按下，同時(shí)送出相應(yīng)的即時(shí)鍵值VALUE。

(2)掃描控制模塊

輸人信號(hào):

CLKSOHZ：時(shí)鐘信一號(hào)，用于產(chǎn)生時(shí)序;

V ALUE[7:0]：由即時(shí)掃描模塊送來(lái)的即時(shí)鍵值;

CNT[4:0]：來(lái)自掃描脈沖模塊的計(jì)數(shù)器值，用于對(duì)掃描進(jìn)行延時(shí)。

輸出信號(hào)：

KEYVALUES[15:0]：此值為去抖動(dòng)后的鍵值與按鍵重復(fù)次數(shù)組合而成的數(shù)據(jù);

CTRL:掃描使能信號(hào).高電平為使能，低電平為禁止。

模塊功能描述:

本模塊用于控制是否允許進(jìn)行掃描以及完成鍵盤(pán)去抖動(dòng)等。在無(wú)鍵按下時(shí)，CTRL置高電平以允許掃描;當(dāng)連續(xù)幾次掃描到同一個(gè)按鍵時(shí)，則認(rèn)為此鍵被按下了(已經(jīng)完成了去抖動(dòng)操作)。然后CTRL置低電平以禁止掃描同時(shí)開(kāi)始延時(shí)，當(dāng)CNT達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，重新進(jìn)行掃描并再次延時(shí)。

同時(shí)將按鍵重復(fù)次數(shù)和鍵值VALUE組合成KEYVALUES并輸出。以此類推，直到無(wú)鍵按下或檢測(cè)到其他的鍵值。

(3)掃描脈沖模塊

輸人信號(hào):

CLK50HZ:時(shí)鐘信號(hào)，用于產(chǎn)生時(shí)序;

CLKSMHZ:時(shí)鐘信號(hào)，用于產(chǎn)生時(shí)序;

CTRL:掃描使能信號(hào)，高電平為使能，低電平為禁止。

輸出信號(hào):

SCAN:掃描指示信號(hào)，每輸出一個(gè)正脈沖執(zhí)行一次鍵盤(pán)掃描;

CNT[4:O]：掃描延時(shí)計(jì)數(shù)器，用于對(duì)掃描進(jìn)行延時(shí)。

模塊功能描述：

本模塊的主要功能是產(chǎn)生掃描指示窄脈沖和掃描延時(shí)計(jì)數(shù)。當(dāng)CTRL為高電平時(shí)，在每個(gè)CLK50HZ的上升沿送出一個(gè)SCAN窄脈沖;當(dāng)CTRL為低電平時(shí)，延時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到某一特定值時(shí)，則送出一次掃描脈沖信號(hào)SCANo

(4)健值傳送模塊

輸人信號(hào):

SYSCLK:系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，用于產(chǎn)生時(shí)序;

KEYVALUES[15:0]:此值為去抖動(dòng)后的鍵值與按鍵重復(fù)次數(shù)組合而成的數(shù)據(jù)。

輸出信號(hào):

WRITE_ N:存貯器的寫(xiě)使能信號(hào)，低電平有效;

ADDRESS[31:0存貯器的鍵值信息寫(xiě)人地址，為恒定值;

KEYVALUE[ 15:0]:要寫(xiě)人存貯器的鍵值信息，其中包括按鍵重復(fù)次數(shù)和鍵值。

模塊功能描述:

本模塊負(fù)責(zé)把鍵值信息寫(xiě)入存貯器，供應(yīng)用軟件定時(shí)查詢。當(dāng)且僅當(dāng)輸人端KEYVALUES的值發(fā)生改變時(shí).才會(huì)發(fā)起一次存貯器寫(xiě)操作。

結(jié)束語(yǔ)

將此模塊用VHDL硬件描述語(yǔ)言予以實(shí)現(xiàn)，然后經(jīng)過(guò)功能仿真.再利用QUARTUS II軟件進(jìn)行編譯并下載到ALTERA的CYCLONE 1C20開(kāi)發(fā)板上后.經(jīng)過(guò)對(duì)鍵盤(pán)的實(shí)際操作檢驗(yàn)證明，此模塊可以正常地實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)掃描、去抖動(dòng)等功能。同時(shí)，若對(duì)該模塊稍加修改，同樣可以移植到其他嵌人式系統(tǒng)中，這樣可以大大減輕CPU的運(yùn)行負(fù)荷，因此，本設(shè)計(jì)對(duì)大多數(shù)對(duì)系統(tǒng)資源比較敏感的嵌人式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。