基于FPGA的多按鍵狀態(tài)識別系統(tǒng)設計方案

　　3．1 掃描模塊

　　掃描模塊主要完成掃描按鍵狀態(tài)輸入和按鍵的軟件去抖動。掃描按鍵狀態(tài)輸入是以5 m8為周期掃描60個輸入引腳，將其結果存入60個兩位狀態(tài)移位寄存器。其代碼為：

　　按鍵去抖有硬件和軟件2種實現方式。為了節(jié)省成本，充分發(fā)揮FPGA器件的功能，該系統(tǒng)設計采用軟件去抖。圖5為軟件去抖動流程。圖中State為2位狀態(tài)移位寄存器，初始值為0，TimeDelay為延時計數器。

　　軟件去抖動過程說明：對狀態(tài)寄存器的2位數值做異或運算，即m=State_1 Xor State_2。若m=l，說明按鍵有動作，則令TimeDelay=1，啟動延時計數；若m=O，表明按鍵處于去抖延時或者平穩(wěn)狀態(tài)。這時判斷TimeDelay，若TimeDelay=0，則按鍵處于平穩(wěn)狀態(tài)；若0TimeDelayMaxDelay(最大延時設定值)，則說明處于去抖計數中，TimeDelay繼續(xù)加1，當TimeDelav>MaxDelay時說明按鍵已經平穩(wěn)，將結果送入編碼器模塊。軟件去抖關鍵代碼如下：

　　3．2 編碼模塊

　　以0、l表示按鍵通斷狀態(tài)，60個按鍵則需要8個字節(jié)；在實際中單鍵動作的概率遠遠大于多鍵同時動作的概率，若只對狀態(tài)發(fā)生變化的按鍵以8位編碼方式傳輸按鍵信息，則一個按鍵只需傳送一個字節(jié)，因此為盡可能地減少MCU的負擔，提高實時性，設計為只在按鍵發(fā)生狀態(tài)變化時才向MCU傳輸相應按鍵的編號和狀態(tài)數據。其編碼數據格式如圖6所示。

　　狀態(tài)位lbit，0表示按鍵閉合狀態(tài)，1表示按鍵打開；數據6bits，即0X01~OX3C分別表示1~60個按鍵；lbit偶校驗位。這樣傳輸一次數據就可完成按鍵編號和狀態(tài)的傳輸。

　　編碼器采用連續(xù)和隨機2種工作模式。連續(xù)工作模式每次掃描后對所有按鍵依次編碼，并獲取所有按鍵的當前狀態(tài)；而隨機工作模式在每次掃描后只對狀態(tài)發(fā)生變化的按鍵編碼。

　　3．3 控制模塊

　　控制模塊完成MCU與FPGA之間的功能控制，有2個作用：一是根據Scan信號選擇編碼模塊的工作模式，二是產生FIFO RAM的讀取操作時序。

　　對于模式控制，Scan上升沿觸發(fā)控制模塊，使編碼模塊進入連續(xù)工作模式，掃描完成一周，控制模塊發(fā)送控制信號使編碼模塊進入隨機工作模式。

　　對于讀取數據，控制模塊根據FIFO RAM的Data[7：0]是否有數據，置位Ready信號。有數據，Ready為低電平；無數據，Ready為高電平。RdClk為讀取時鐘，相當于確認信號，每讀完一個數據，發(fā)送一個脈沖。

　　3．4 FIFORAM模塊

　　與MCU通信的接口種類很多，可選擇串口、I2C、并口等形式，應用中可根據MCU資源以及項目成本、進度等具體情況選擇最合適的一種方式。該系統(tǒng)設計利用同步FIF0 RAM并口傳輸。FIF0 RAM模塊采用EDA軟件庫中的標準模塊。

　　4 仿真結果

　　采用Altera公司提供的Quartus II仿真工具，其集成有與硬件實時操作相吻合的硬件測試工具。綜合仿真結果如圖7所示，系統(tǒng)時鐘SysClk為12 kHz，其仿真結果表明系統(tǒng)設計達到要求。

　　5 結論

　　提出基于FPGA器件，VHDL語言描述的特殊鍵盤設計方案解決遠距離、分散、多鍵動作狀態(tài)識別問題，極大節(jié)省PCB面積和MCU的I／0端口資源。模塊中掃描延遲、掃描間隔等參數可根據系統(tǒng)需求靈活改變，FPGA器件使得電路功能的擴展方便，具有極高穩(wěn)定性和靈活性。這一方案已在實際項目中應用，經現場驗證性能穩(wěn)定可靠。