矩阵键盘简介以及其FPGA设计思路.doc

扫描键盘的设计思想和代码技巧非常值得学习。 首先扫描键盘可以节省FPGA的引脚资源，例如一个4x4的扫描键盘有16个按键，如果不用扫描方式而是直接把16跟控制线接入FPGA，就要16个引脚，而用扫描方式只需要4+4=8个引脚。尤其是随着键盘的增大，比如8x9=72的键盘，用扫描方式只需要17个引脚。 要想了解扫描键盘的原理，首先要知道矩阵键盘的电路结构。 如上图所示，矩阵键盘的某一个按钮按下会使对应的一条行线和列线导通，为了便于分析扫描过程做如下简化： 扫描键盘的工作状态分为两种： 第一种状态是判断是否有键按下，该状态下四根列线对应的电平状态是{col 0,col 1,col 2,col 3}=0000 。四根行线左端都接高电平，没有键被按下时，四根行线右端的状态是{row0,row1,row2,row3}=1111 。假如上图中按键3被按下了，也就是说row0和col 0接通了。那么四根行线右端的状态将会是{row0,row1,row2,row3}=0111 。也就是说，在第一种状态下，只要键盘行线输入FPGA的状态不是1111，就说明有键被按下了。马上进入第二状态。 第二种状态是判断具体哪个键被按下了。该状态下四根行线左端接高电平不变，四根列线对应的电平状态不断变化，由FPGA的输出的扫描码控制四根列线的电平状态。由第一状态的行线输入已经可以确定按键所处的行了。接下来只要再确定按键所处的列就可以确定到底哪个键被按下了。 如何根据行线的输入确定按键所处的列，奥妙就在于扫描码了。让列线以1000、0100、0010、 0001的电平状态不断循环。假设上一状态确定按键处于row0行，那么随着扫描的进行，行线输入的变化规律如下表： 扫描码 1000 0100 0010 0001 1000 0100 0010 0001 1000 0100 0010 0001 Row0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 Row1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Row2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Row3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 观察上表可以发现，在row0是1的时候与之对应的扫描码可以体现出按键所在列。 一个随之而来的设计思路是在第一状态确定按键所在行，然后在第二状态捕捉特定行是高电平的时候所对应的扫描码。 但是这里有一个不可避免的实际问题，那就是机械键盘的抖动！这种抖动主要体现在两个方面：第一，我们手指按某个键的时候可能由于接触面积大无意中碰到周围的键。第二，在按着一个键的时候由于力度不均或者接触不良，行线和列线并不能时刻保持接通的状态。下图来自网络上，描述的是单片机的机械键盘，借用一下。 如何避免抖动的影响才是矩阵键盘设计的难点。 由于抖动的存在，我们在第一状态下只能确定有键按下了，并不确定是哪一行的键被按下了。所以第一状态的任务是判断是否有键按下，如果有就进入第二状态，如果没有，就从第二状态回到第一状态。 第二状态开始输出扫描码给键盘的列，同时从键盘的行收集行线的电平状态作为输入。然后根据行线输入和扫描码判断按键位置。 还要有一个消抖模块，消除抖动影响的原理就是抖动时间都很短，例如在0.5秒内循环扫描了200次，其中150次扫描结果都显示按键6被按下了，32次显示按键5被按下了，18次显示按键2被按下了。那么就可以确定按键是6，并且按键的人力度偏向于右上方。如果抖动时间是10ms的话，我们设定扫描结果中某个按键连续出现了16ms以上的时间，则该按键有效，小于16ms的按键都视为抖动被“过滤”掉。 在总体架构的设计中，根据行线输入和扫描码判断按键位置的功能可以独立作为一个模块。先用组合逻辑试试。输出是4位的二进制数，从0到F代表按键位置的编号，如图二矩阵键盘简化示意图所示。 其中en 是使能信号，en 为高电平时模块开始判断按键位置。 由行线输入和扫描码判断按键位置的具体原理是什么呢？还是要分别确定行和列。首先看行线输入，如果是0111 。就确定是第一行。如果是0100就确定是第二行……如果是1111，就捕捉对应的扫描码。将行与扫描码对应就得到按键位置。 在没有键按下的时候列线电平状态是{col 0,col 1,col 2,col}=0000 。一旦有键按下立即输出列线扫描码key_col_scan和始能信号给key_position模块，没有键按下就回到{col 0,col 1,col 2,col}=0000的状态同时把en拉低。此功能可独立作为一个模块。前面分析可知，只要key_row_in不是4’b1111就是有键按下了。扫描