FPGA 34 矩阵键盘模块设计

ゞ浴缸里的玫瑰 2022-09-11 04:14 247阅读 0赞

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# FPGA 34 矩阵键盘 模块设计 #

最早的 MCU(即单片机)其 IO 口相对较少，而且用到按键过多的话， 就会占用过多的 IO。 人们为了解决这个问题就引入了“矩阵键盘”。 在矩阵键盘中，每条行线和列线在交叉处都不是直接连同， 而是通过一个按键直接相连，这样以来一个 4\*4 的矩阵键盘只需要 8 根控制线就可以完成16 个按键的控制。

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矩阵键盘工作原理 ：

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检测矩阵键盘中某一按键是否被按下， 采用的方法是列扫描法。 图中一共有 8条控制线， 4 条行控制线(ROW),4 条列控制线（COL） 。在原理图图中，我们可以看到，ROW的信号【对于FPGA】是一个输入IO，COL0、1、2、3 是一个输出IO的配置，所以FPGA 只需要读取ROW0、1、2、3 端口的信号来进行判断。

假如我们让 COL0=0，然后去读取 ROW 的值，如果 4 个 ROW 信号的电平全部为高，则表明当前列并无按键按下，则切换到扫描下一列，再去读取 4 个 ROW 信号的值，根据读到的 ROW 值判断当前是哪一个按键被按下。例如当扫描第三列的时候，即 COL=4’b1011 时，检测到 ROW=4’b1011,则说明“A”被按下。

矩阵键盘扫描驱动模块设计 ：

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端口描述：

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矩阵键盘检测状态转移图 ：（P208）

key\_board.v 文件

module key_board
    (
    	Clk,
    	Rst_n,
    	Key_Board_Row_i,
    
    	Key_flag,
    	Key_Value,
    	Key_Board_Col_o
    );
    
    	input Clk ;
    	input Rst_n;
    	input [3:0]Key_Board_Row_i;
    
    	output reg Key_flag;
    	output reg [3:0]Key_Value;
    	output reg [3:0]Key_Board_Col_o;
    
    	
    	// 输入列寄存器信号，输入以后做一次寄存
    	reg [3:0]Key_Board_Row_r;
    
    	reg En_Cnt ;	//滤波定时器
    	reg [19:0] counter1; //滤波定时，时钟周期计数器
    	reg Cnt_Done;	//滤波时间完成标志信号
    
    	reg [3:0]Col_Tmp ; 	// 列按键按下状态 
    	reg  Key_Flag_r; 	// 按键成功标志位
    	
    	reg [7:0]Key_Value_tmp;
    	
    	reg  [10:0]state;
    	
    	//按键按下标志位
    	always@(posedge Clk)
    		Key_flag <= Key_Flag_r;
    	
    	// 状态机状态参数
    	localparam 
    		IDEL				= 11'b00000000001,
    		P_FILTER			= 11'b00000000010,
    		READ_ROW_P 		= 11'b00000000100,
    		SCAN_C0 			= 11'b00000001000,
    		SCAN_C1 			= 11'b00000010000,
    		SCAN_C2 			= 11'b00000100000,
    		SCAN_C3 			= 11'b00001000000,
    		PRESS_RESULT 	= 11'b00010000000,
    		WAIT_R			= 11'b00100000000,
    		R_FILTER 		= 11'b01000000000,
    		READ_ROW_R 		= 11'b10000000000;
    
    	// 滤波定时计数器
    
    	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    	if(!Rst_n)
    		counter1 <= 20'd0;
    	else if(En_Cnt)begin
    		if(counter1 == 20'd999999)
    			counter1 <= 20'd0;
    		else
    			counter1 <= counter1 + 1'b1;
    	end
    	else
    		counter1 <= 20'd0;
    		
    	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    	if(!Rst_n)
    		Cnt_Done <= 1'b0;
    	else if(counter1 == 20'd999999)
    		Cnt_Done <= 1'b1;
    	else
    		Cnt_Done <= 1'b0;
    
    
    
    	//状态机
    	always @(posedge Clk or negedge Rst_n)
    	if(!Rst_n)
    	begin
    	  state <= IDEL ;
    	  Key_Board_Col_o <= 4'b0000 ; //输出端口默认设置为低电平，只有按键按下时，默认的上拉电平就会变成低电平
    	  En_Cnt <= 1'b0;
    	  Col_Tmp <= 4'd0;
    	  Key_Flag_r <= 1'b0;
    	  Key_Value_tmp <= 8'd0;
    	  Key_Board_Row_r <= 4'b1111;
    	end
    	else
    	begin
    		case (state)
    			IDEL: 
    				if(~&Key_Board_Row_i)begin  // Key_Board_Row_i  不等于 4‘d1111,说明有按键按下
    					En_Cnt <= 1'b1 ;    // 开启滤波定时器
    					state <= P_FILTER;  // 跳转进入前级滤波状态
    				end
    				else begin			// 按键未按下
    					En_Cnt <=1'b0 ; // 消抖滤波定时器关闭
    					state  <=IDEL ; // 等待状态 
    				end
    			P_FILTER :
    				if(Cnt_Done) begin	//消抖滤波定时时间结束
    				  	En_Cnt <= 1'b0; //关闭滤波定时器
    					state <= READ_ROW_P; //跳转进入滤波检测状态
    				end
    				else begin			//消抖定时未结束
    					En_Cnt <= 1'b1; //继续保持
    					state <= P_FILTER;// 状态继续保持当前值
    				end
    			READ_ROW_P:
    				if (~&Key_Board_Row_i) begin  //滤波后，第二次确定按键确实按下
    					Key_Board_Row_r <= Key_Board_Row_i; // 存取当前状态的值
    					Key_Board_Col_o <= 4'b1110;  // 设置 Key_Board_Col_o 的输出信号为 4‘b1110，其它列设置为高电平
    					state <= SCAN_C0;	// 跳转进入第C0列的判断
    				end
    				else begin 			//这次是按键抖动
    					state  <=IDEL ; // 进入空闲等待状态
    					Key_Board_Col_o <= 4'b0000;  // 设置 Key_Board_Col_o 的输出信号为 4‘b0000
    				end
    			SCAN_C0 :
    				begin
    					Key_Board_Col_o <= 4'b1101;  // 设置 Key_Board_Col_o 的输出信号为 4‘b1101
    					state <= SCAN_C1;	// 跳转进入第C1列的判断
    					if(~&Key_Board_Row_i) //其它3列设置为高电平后，Key_Board_Row_i 仍然为按键按下状态
    						Col_Tmp <= 4'b0001 ; // 表示此次按下的按键是再第一列
    					else
    						Col_Tmp <= 4'b0000 ; // 表示此次按下的按键不在这列
    				end
    			SCAN_C1 :
    				begin
    					Key_Board_Col_o <= 4'b1011;  // 设置 Key_Board_Col_o 的输出信号为 4‘b1011
    					state <= SCAN_C2;	// 跳转进入第C2列的判断
    					if(~&Key_Board_Row_i) //其它3列设置为高电平后，Key_Board_Row_i 仍然为按键按下状态
    						Col_Tmp <= 4'b0010 | Col_Tmp ; // 表示此次按下的按键是再第2列
    					else
    						Col_Tmp <= Col_Tmp ; // 表示此次按下的按键不在这列
    				end
    			SCAN_C2 :
    				begin
    					Key_Board_Col_o <= 4'b0111;  // 设置 Key_Board_Col_o 的输出信号为 4'b0111
    					state <= SCAN_C3;	// 跳转进入第C3列的判断
    					if(~&Key_Board_Row_i) //其它3列设置为高电平后，Key_Board_Row_i 仍然为按键按下状态
    						Col_Tmp <= 4'b0100 | Col_Tmp ; // 表示此次按下的按键是再第2列
    					else
    						Col_Tmp <= Col_Tmp ; // 表示此次按下的按键不在这列
    				end
    			SCAN_C3 :
    				begin
    					state <= PRESS_RESULT;	// 进入此状态后，表示按键检测已经结束，需要进入下一个按键结果分析状态
    					if(~&Key_Board_Row_i) 	// 其它3列设置为高电平后，Key_Board_Row_i 仍然为按键按下状态
    						Col_Tmp <= 4'b1000 | Col_Tmp ; // 表示此次按下的按键是再第3列
    					else
    						Col_Tmp <= Col_Tmp ; // 表示此次按下的按键不在这列
    				end
    			PRESS_RESULT:
    				begin
    					state <= WAIT_R;		// 本次结果分析完成后，进入按键松开滤波状态
    					Key_Board_Col_o <= 4'b0000; //按键检测查找完成，所以重新设置,输出Key_Board_Col_o的信号为 4‘b0000
    					if(((Key_Board_Row_r[0] + Key_Board_Row_r[1] + Key_Board_Row_r[2] + Key_Board_Row_r[3]) == 4'd3) &&
    					((Col_Tmp[0] + Col_Tmp[1] + Col_Tmp[2] + Col_Tmp[3]) == 4'd1)) // 检验是否只有一个按键按下
    					begin
    						Key_Flag_r <= 1'b1;							//产生按键成功标志信号
    						Key_Value_tmp <= {Key_Board_Row_r,Col_Tmp}; //位拼接，等下来查找
    					end
    					else
    					begin
    						Key_Flag_r <= 1'b0; 			//非单个按键按下，不产生按键完成信号
    						Key_Value_tmp <= Key_Value_tmp; //按键值保持上一次按键的值
    					end
    				end
    			WAIT_R :
    				begin
    					Key_Flag_r <= 0 ; // 按键成功标志信号清零
    					if(&Key_Board_Row_i) //  Key_Board_Row_i = 4’b1111 表示(按键未按下)即，按键松开，此时我们进入后消抖状态
    					begin
    						En_Cnt =1'b1; // 开启消抖滤波的计时器
    						state <= R_FILTER ; //进入后消抖判断转态
    					end
    					else // 按键仍然按下，我们在这次保持等待状态
    					begin
    						state <= WAIT_R ;
    						En_Cnt =1'b0; // 消抖滤波的计时器暂时先不开启
    					end	
    				end
    			R_FILTER :
    				if(Cnt_Done)begin  //后消抖滤波定时完成
    					En_Cnt <= 1'b0; 		//关闭滤波定时器使能信号
    					state <= READ_ROW_R; 	//进入按键完全释放状态判断
    				end
    				else
    				begin
    					En_Cnt <= 1'b1; 		// 滤波消抖定时器正在进行
    					state  <= R_FILTER;		// 继续保持滤波状态
    				end
    			READ_ROW_R :
    				if(&Key_Board_Row_i)  // （Key_Board_Row_i =4'd1111）即，确定按键已经松开，本次按键检测已经完成
    					state <= IDEL;
    				else 	// 按键还没松开,再次后消抖滤波
    				begin
    					state <= R_FILTER;		// 再次进入后消抖滤波状态
    					En_Cnt <= 1'b1; 		// 开启滤波消抖定时器
    				end
    			default:  state <= IDEL; // 默认，或者运行出错，进入空闲状态
    		endcase  
    	end
    
    	//按键输出状态查找表  根据 : Key_Value_tmp <= {Key_Board_Row_r,Col_Tmp};  实现数据的查找
    	always @(posedge Clk or negedge Rst_n)
    	if(!Rst_n)
    		Key_Value <= 4'd0 ;
    	else if(Key_Flag_r)  // 先判断，按键是否按下成功
    	begin
    		case (Key_Value_tmp)
    			8'b1110_0001 : Key_Value <= 4'd0;
    			8'b1110_0010 : Key_Value <= 4'd1;
    			8'b1110_0100 : Key_Value <= 4'd2;
    			8'b1110_1000 : Key_Value <= 4'd3;
    			
    			8'b1101_0001 : Key_Value <= 4'd4;
    			8'b1101_0010 : Key_Value <= 4'd5;
    			8'b1101_0100 : Key_Value <= 4'd6;
    			8'b1101_1000 : Key_Value <= 4'd7;
    			
    			8'b1011_0001 : Key_Value <= 4'd8;
    			8'b1011_0010 : Key_Value <= 4'd9;
    			8'b1011_0100 : Key_Value <= 4'd10;
    			8'b1011_1000 : Key_Value <= 4'd11;
    			
    			8'b0111_0001 : Key_Value <= 4'd12;
    			8'b0111_0010 : Key_Value <= 4'd13;
    			8'b0111_0100 : Key_Value <= 4'd14;
    			8'b0111_1000 : Key_Value <= 4'd15; 
    			default: Key_Value <= Key_Value ;
    		endcase
    	end
    
    endmodule

矩阵键盘模型：

`timescale 1ns/1ns
    module Key_Board_model(
        Key_Col,
        Key_Row
        );
        // 矩阵键盘模型
        // 注： 写的是一个键盘的模型，相当于模拟矩阵的输入和输出
        // 主要是模拟按键按下，信号输出给fpga 的过程，其过程包括按键抖动信号
        input [3:0]Key_Col; //对于矩阵键盘来说，Key_Col 是一个 输入信号，对fpga是一个输出信号
        output reg [3:0]Key_Row; //Key_Row 是一个输出信号，对pga 是有一个输入信号
    
        reg [5:0]myrand ;
        reg [3:0]Key_Row_r; //行寄存器
        reg key_row_sel ;
        reg [1:0]now_col,now_row ; //当前行与当前列
    
        initial begin
            now_col =0;
            now_row =0;
            key_row_sel =0 ;
            myrand =0 ;
        end
    
        initial begin
            Key_Row_r = 4'b1111 ; // 初始状态，即模型按键未按下时刻，矩阵键盘的行信号默认都是上拉电平，即全是高电平
            #50000000 ;
            // 顺序按键按下，
            press_key(0, 0); //第一行
            press_key(0, 1);
            press_key(0,2);
            press_key(0,3);
    
            press_key(1, 0); //第二行
            press_key(1, 1);
            press_key(1,2);
            press_key(1,3);
    
            press_key(2, 0); //第三行
            press_key(2, 1);
            press_key(2,2);
            press_key(2,3);
            
            press_key(3, 0); //第四行
            press_key(3, 1);
            press_key(3,2);
            press_key(3,3);
    		  
            $stop;
    
        end
        // 编写press_key任务(函数)  调用方式： press_key(row,col); //参数输入按键的位置row,col
        task press_key;
            input [1:0]row,col;
            // 按键按下进行执行下列操作
            begin
                key_row_sel = 0;//将行选择信号设置为有效状态
                Key_Row_r = 4'b1111; // 初始状态按键未按下
                Key_Row_r[row] = 0 ; // row,按键按下，让Key_Row_r 的这个row bit 未设置为0 ，表示按键按下
                now_row = row;  
                repeat(20)begin //重复 20 次，随机产生按键按下时 20 个不同的行状态
                    myrand = {$random} % 65536; //随机延时
                    #myrand Key_Row_r[row] = ~Key_Row_r[row]; // 模拟按键抖动（电平时高时低）状态
                end
                key_row_sel = 1; //将行选择信号设置为有效状态
                now_col = col;   //消抖以后，获取当前列输入信号 col ???
                #22000000;
                key_row_sel =0 ;
                Key_Row_r = 4'b1111; // 进入按键后滤波状态
                repeat(20)begin //重复 20 次，随机产生按键松开时 20 个不同行状态
                    myrand = {$random} % 65536;
                    #myrand Key_Row_r[row] = ~Key_Row_r[row];
                end
                Key_Row_r = 4'b1111; // 按键完全释放
                #22000000;
            end
        endtask
    
        always @(*) 
        if (key_row_sel)  //行信号有效
            case(now_row) //根据输入的列信号，获取按键Key_Row输出的行信号
                2'd0:Key_Row = {1'b1,1'b1,1'b1,Key_Col[now_col]};
                2'd1:Key_Row = {1'b1,1'b1,Key_Col[now_col],1'b1};
                2'd2:Key_Row = {1'b1,Key_Col[now_col],1'b1,1'b1};
                2'd3:Key_Row = {Key_Col[now_col],1'b1,1'b1,1'b1};
            endcase
        else
            Key_Row = Key_Row_r ; 
    
    endmodule

验证测试脚本文件：

`timescale 1ns/1ns
    //矩阵键盘的仿真模型
    module Key_Board_tb;
    
        reg Clk;
        reg Rst_n;
    
        wire [3:0]Key_Row;
        wire [3:0]Key_Col;
    
        wire Key_flag;
        wire [3:0]Key_Value;
    
        key_board key_board_0(
    	.Clk(Clk),
    	.Rst_n(Rst_n),
    	.Key_Board_Row_i(Key_Row),
    
    	.Key_flag(Key_flag),
    	.Key_Value(Key_Value),
    	.Key_Board_Col_o(Key_Col)
        );
    
        Key_Board_model Key_Board_model_inst(Key_Col,Key_Row);
    
        initial Clk =1 ;
        always #10 Clk = ~Clk ;
    
        initial begin
            Rst_n =0;
            #200
            Rst_n =1;
        end
    
    endmodule

## FPGA 上拉设置问题 (注：不设置矩阵键盘测试无法正常工作，开始被坑了很多遍) ##

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ormashuQ-1631430335818)(E:/Blog\_Template/source/\_posts/img/blog\_img/fpga/image-20210606213358925.png)\]][img-ormashuQ-1631430335818_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210606213358925.png]

## step1: ##

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-jm0H98Uj-1631430335819)(E:/Blog\_Template/source/\_posts/img/blog\_img/fpga/image-20210606213452072.png)\]][img-jm0H98Uj-1631430335819_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210606213452072.png]

## step2: ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5rKh5pyJ5Lu35YC855qE55Sf5ZG9_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]

## step3: ##

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-gsc2vOVz-1631430335820)(E:/Blog\_Template/source/\_posts/img/blog\_img/fpga/image-20210606213600534.png)\]][img-gsc2vOVz-1631430335820_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210606213600534.png]

## step4: ##

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-4LbAMsOt-1631430335821)(E:/Blog\_Template/source/\_posts/img/blog\_img/fpga/image-20210606213656950.png)\]][img-4LbAMsOt-1631430335821_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210606213656950.png]

## step5: ##

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-jfxVTcqw-1631430335821)(E:/Blog\_Template/source/\_posts/img/blog\_img/fpga/image-20210606213750711.png)\]][img-jfxVTcqw-1631430335821_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210606213750711.png]

最终配置效果：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-JA5ZOWJU-1631430335822)(E:/Blog\_Template/source/\_posts/img/blog\_img/fpga/image-20210606213828750.png)\]][img-JA5ZOWJU-1631430335822_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210606213828750.png]

[img-t93Mpr2Y-1627401356069_FPGA 09 _.assets_test.png]: /images/20220828/8b040b4cbdce4a8585e7f3a32e196687.png
[img-md3ZukjT-1631430335809_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210602155737943.png]: /images/20220828/0c55327c72984caa937c1cb28b84a27f.png
[img-1oYfNTiT-1631430335811_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210602155831214.png]: /images/20220828/d6bca41180714e438eead9f3cc2c4bf0.png
[img-xtfU9O1q-1631430335813_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210602170014986.png]: /images/20220828/0d5bab81b36d472e9587867b1ce0b8f9.png
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[img-ormashuQ-1631430335818_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210606213358925.png]: /images/20220828/346d78939cad44569effc543371fe93f.png
[img-jm0H98Uj-1631430335819_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210606213452072.png]: /images/20220828/0afcf9e772314154a52b8b503c4bcabf.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5rKh5pyJ5Lu35YC855qE55Sf5ZG9_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]: /images/20220828/2f69c387c0a44df1b83c69abfb677dc8.png
[img-gsc2vOVz-1631430335820_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210606213600534.png]: /images/20220828/a008702cb7894d1c8c1bb04fdb73bc17.png
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[img-JA5ZOWJU-1631430335822_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210606213828750.png]: /images/20220828/a141f7ab92ee40cea369f79542b82613.png