基于FPGA的4x4矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用FPGA驅(qū)動(dòng)4x4矩陣鍵盤，這個(gè)原理其實(shí)很簡單，但是我在做的時(shí)候曾經(jīng)理解錯(cuò)了一個(gè)地方，導(dǎo)致走了一天的彎路，因?yàn)楦杏X比較有意思，所以想在這分享一下。

014x4矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)原理

首先看一下矩陣鍵盤的原理圖，矩陣鍵盤的原理與獨(dú)立按鍵類似，可以將單獨(dú)的一行或一列當(dāng)做一個(gè)獨(dú)立按鍵使用。圖中的row_one ~ row_four表示矩陣鍵盤的四行，col_one~col_four表示矩陣鍵盤的四列。

矩陣鍵盤的掃描識(shí)別可以通過行列掃描來完成，首先我們先將4行的I/O口（row_one、row_two、row_three、row_four）全部輸出高電平，4列的I/O口（col_one、col_two、col_three、col_four）全部輸出低電平，若是這4行按鍵里有按鍵按下，那么按鍵按下的那一行對(duì)應(yīng)的I/O口電平就會(huì)被拉低，這樣我們就能確定按下按鍵的行坐標(biāo)。接下來便需要確定列坐標(biāo)，獲取列坐標(biāo)的方法與行坐標(biāo)的方法類似，就是先讓4行的I/O口全部輸出低電平，4列的I/O口全部輸出高電平，這樣按鍵按下的那一列I/O口的電平就會(huì)被拉低，這樣我們便確定了對(duì)應(yīng)的列坐標(biāo)，如此便能獲取到對(duì)應(yīng)按下按鍵的行列坐標(biāo)。

02設(shè)計(jì)思路

這里需要討論的便是如何實(shí)現(xiàn)4×4矩陣鍵盤的程序，其邏輯流程圖如下圖所示。首先需要定義8個(gè)輸出端口，分別表示四行四列，然后先讓四行的I/O輸出高電平，四列的I/O輸出低電平，這是初始狀態(tài)。然后便是編寫消抖程序，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，首先便是進(jìn)行消抖，利用狀態(tài)機(jī)編寫消抖程序，識(shí)別判斷當(dāng)前狀態(tài)是否為抖動(dòng)。確定為按鍵按下后便開始判斷4行中哪一行的電平被拉低，這樣便能確定是哪一行的按鍵被按下，這里需要定義一個(gè)表示行的標(biāo)志位，用來標(biāo)志是哪一行按鍵按下。隨后便將四行的I/O輸出低電平，四列的I/O輸出高電平，然后便開始逐列判斷哪一列的電平被拉低，如此便能判斷按下按鍵的列坐標(biāo)。此處也需要定義一個(gè)表示列的標(biāo)志位。最后便是綜合判斷，通過行的標(biāo)志位和列的標(biāo)志位來判斷按下按鍵的行列坐標(biāo)，如此便確定具體按下的按鍵。

接下來看程序（此處分享的程序?yàn)闆]有帶按鍵消抖的，只是按照矩陣鍵盤的掃描識(shí)別思路大致寫了一下），首先是端口的定義，定義四行四列，但是有一點(diǎn)，原理上講解的是輸出電平，在這里這四個(gè)端口先定義為輸入狀態(tài)，因?yàn)檫@不是頂層文件，在頂層文件中再定義為輸出。然后定義的key_lock為輸出控制端，我這里是利用矩陣鍵盤設(shè)置的密碼鎖，每一個(gè)矩陣按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)鍵值，當(dāng)按下四個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)密碼正確時(shí)，key_lock輸出高電平。key_row_flag為行標(biāo)志位，當(dāng)檢測(cè)到第一行的按鍵被按下時(shí)標(biāo)志位置1，當(dāng)?shù)谝恍械陌存I被按下時(shí)標(biāo)志位置2，同理，第三行置3第四行便置4。key_col_flag為列標(biāo)志位，原理與行標(biāo)志位一樣。然后row_flag與col_flag為行掃描標(biāo)志位與列掃描標(biāo)志位，當(dāng)row_flag為1時(shí)進(jìn)行行掃描，當(dāng)col_flag為1時(shí)進(jìn)行列掃描。key_output為輸出按下對(duì)應(yīng)按鍵的鍵值。key_row_col為當(dāng)前掃描狀態(tài)，為1時(shí)表示行掃描結(jié)束，為2時(shí)表示列掃描結(jié)束，標(biāo)志列掃描結(jié)束后便開始獲取按鍵的鍵值。

接下來便開始看行掃描，行掃描和列掃描初始狀態(tài)為row_flag為1、col_flag為0。然后開始捕捉四行的引腳哪一行的引腳出現(xiàn)下降沿置0，若有一行的引腳被拉低置0時(shí)，行標(biāo)志位立刻記下是第幾行被拉低，然后行列狀態(tài)標(biāo)志位便置1，行掃描標(biāo)志位row_flag清零，列掃描標(biāo)志位置1，開始進(jìn)入列掃描。

然后就是列掃描，在列掃描中與行掃描原理一樣，檢測(cè)每一列引腳的電平，若其中一列的電平被拉低，則列標(biāo)志位立刻記錄被拉低的列數(shù)為第幾列，然后恢復(fù)行掃描標(biāo)志位準(zhǔn)備進(jìn)入下一輪掃描，同時(shí)將列掃描標(biāo)志位清零，行列狀態(tài)標(biāo)志位置2，準(zhǔn)備進(jìn)入判斷按下按鍵鍵值模式。

接下來便是開始判斷按下按鍵的鍵值，因?yàn)槲疫@里只需要0~9這十個(gè)數(shù)字，而矩陣鍵盤有16個(gè)按鍵，所以寫的稍微簡單一點(diǎn)。從第一行第一列開始為1，第一行第二列為2，后面的依次類推。將第四列和第四行的鍵值全部設(shè)置的為0。這里進(jìn)入判斷鍵值的條件為行列標(biāo)志位key_row_col置2，也就是必須在列掃描完成之后才能進(jìn)入判斷。

這里在鍵值判斷完成之后便是將當(dāng)前獲取的鍵值存儲(chǔ)起來。這里因?yàn)樾辛袠?biāo)志位key_row_col比按鍵輸出鍵值key_output差了一個(gè)時(shí)鐘周期，所以賦值錯(cuò)誤，然后我便重新定義了一個(gè)寄存器key_row_col_r用來過渡一下。下面定義的one起初是為了在key_row_col為2時(shí)不重復(fù)賦值才寫的，是為了避免賦值后面輸出的按鍵鍵值，也就是20ns的周期中只進(jìn)去賦值一次，但是后面發(fā)現(xiàn)了時(shí)序相差一個(gè)時(shí)鐘周期便在else中加入了那段，還未解決便定義了寄存器key_row_col_r，這才得以解決。

最后便是設(shè)置密碼，輸出控制部分。此處將密碼設(shè)置為2653。

接下來便是波形仿真部分，在這里寫入2653每一個(gè)鍵值對(duì)應(yīng)按鍵的行列坐標(biāo)便可。仿真腳本文件寫好之后便可導(dǎo)入仿真。

03仿真波形

在仿真波形圖中根據(jù)寫入的對(duì)應(yīng)鍵值來觀察行、列標(biāo)志位中的行列坐標(biāo)是否正確，然后根據(jù)行列坐標(biāo)來觀察按鍵輸出鍵值key_output是否一致，key_temp系列的值為存儲(chǔ)的四位密碼，當(dāng)每一位與設(shè)置的密碼一致時(shí)，key_lock輸出高電平。