基于CPLD的矩陣鍵盤(pán)掃描模塊設計

在基于PC104的便攜式野外測試設備的設計中，鍵盤(pán)是常用的輸入設備。對于便攜式設備野外工作時(shí)，一般使用小型(4x4)矩陣鍵盤(pán)就能滿(mǎn)足設備的信息輸入需要；室內調試時(shí)，使用標準PS2鍵盤(pán)更方便、靈活。一般的做法是保留PC104的鍵盤(pán)接口用于接標準鍵盤(pán)，利用擴展I／O接口完成小矩陣鍵盤(pán)的掃描和輸入。這樣做雖然可以實(shí)現設備雙鍵盤(pán)同時(shí)工作的功能，卻需耗費大量的CPU處理時(shí)間掃描矩陣鍵盤(pán)，造成CPU處理其他信息的能力下降。而本文設計的基于CPLD的矩陣鍵盤(pán)掃描模塊能夠很好地解決上述問(wèn)題。

1 矩陣鍵盤(pán)掃描原理
圖1給出了4x4矩陣鍵盤(pán)的電路圖，在圖1中KX[3．．0]為掃描碼輸入，KY[3．．0]為掃描碼輸出。鍵盤(pán)掃描開(kāi)始時(shí)，首先置KX[3．．0]=“0000”；鍵盤(pán)掃描碼寄存器和鍵盤(pán)掃描碼緩存器Kreg[15．．0]和Kscan[15．．0]置成“1111111111111111”(全1為沒(méi)有鍵按下，有鍵按下時(shí)至少有一位為O)，一旦有鍵按下，KY[3..0]輸出不全為“O”的掃描碼觸發(fā)鍵盤(pán)掃描功能開(kāi)始鍵盤(pán)掃描，掃描開(kāi)始后，依次將KX3、KX2、KX1、KX0置“0”，分別將對應的4組KY[3..0]輸入值保存于Kscan[15．．12]、Kscan[11..8]、Kscan[7．．4]、Kscan[3．．0]中，而后比較Kscan和Kreg的大小，如果Kscan小于Kreg，將Kscan保存于Kreg中，重復上述掃描過(guò)程直到Kscan[15..0]各位輸出全為“1”時(shí)，說(shuō)明按下的鍵全部抬起，Kreg[15．．0]中的每一個(gè)為“0”的位對應一個(gè)按下的鍵，保留掃描過(guò)程中的Kreg最小值就可以處理組合鍵。根據記錄的Kreg值可以判斷是哪個(gè)或哪幾個(gè)鍵按下，據此編碼按鍵值后輸出。將KX[3..0]置為“0000”，等待下一次按鍵發(fā)生。

2 基于CPLD的4x4矩陣鍵盤(pán)掃描模塊設計
根據上述掃描原理和工作流程，如果以PC104 CPU實(shí)現上述矩陣鍵盤(pán)的掃描過(guò)程，那么在有鍵按下后，CPU必須不停地掃描矩陣鍵盤(pán)電路，在此期間不能進(jìn)行其他工作，降低了CPU工作效率，且CPU連續高速運轉增加系統功耗。
本文的目的就是在不需要CPU參與的條件下以CPLD完成矩陣鍵盤(pán)按鍵事件觸發(fā)、按鍵的掃描定位以及按鍵的編碼和鍵值輸出工作，CPU只需要定時(shí)查詢(xún)有無(wú)鍵按下并讀走按下鍵的按鍵值送入鍵盤(pán)緩沖區。這樣就使CPU從繁重的矩陣鍵盤(pán)掃描工作中解脫出來(lái)。根據上述鍵盤(pán)掃描工作原理，基于CPLD的4x4矩陣鍵盤(pán)掃描模塊功能框圖如圖2所示。

圖中，模塊KeyTri在時(shí)鐘信號CLK的控制下實(shí)現按鍵事件觸發(fā)和矩陣鍵盤(pán)掃描時(shí)序產(chǎn)生功能；模塊keycode在時(shí)鐘信號CLK和掃描時(shí)序碼SCode的控制下完成輸出鍵盤(pán)掃描碼KX，同時(shí)記錄16位鍵盤(pán)掃描數據等工作，并在所有鍵抬起后對按下的鍵編碼完成輸出功能；模塊nread實(shí)現按鍵碼的暫存、按鍵狀態(tài)的置位和清除以及矩陣鍵盤(pán)的使能；模塊PCPORT完成矩陣鍵盤(pán)與CPU的接口；模塊OSC與CreatClock產(chǎn)生控制鍵
盤(pán)掃描模塊工作的3 KHz時(shí)鐘信號CLK。
2．1 鍵盤(pán)掃描觸發(fā)模塊(KeyTri)的功能與時(shí)序仿真
鍵盤(pán)掃描過(guò)程中，掃描信號不停變化，以判斷鍵盤(pán)按鍵的按下和抬起。高速變化的鍵盤(pán)掃描信號不僅使系統功耗增加，而且還會(huì )對其他敏感電路造成干擾。因此在本設計中將鍵盤(pán)掃描模式設計成鍵按下觸發(fā)掃描方式，只有當鍵盤(pán)有鍵按下后，才觸發(fā)鍵盤(pán)掃描電路產(chǎn)生掃描鍵盤(pán)時(shí)序，所有鍵都放開(kāi)后，停止對鍵盤(pán)的掃描，使電路處于相對靜止狀態(tài)，以減少對其他電路的干擾。
鍵盤(pán)按下時(shí)會(huì )有抖動(dòng)，在按鍵抖動(dòng)時(shí)掃描鍵盤(pán)，可能會(huì )使鍵盤(pán)掃描電路產(chǎn)生誤判，因此在鍵盤(pán)按下與開(kāi)始掃描之間應加入一段延時(shí)，延時(shí)結束后按鍵仍處于按下?tīng)顟B(tài)，才允許開(kāi)始鍵盤(pán)掃描，這樣做可以最大限度地避免掃描電路的誤判和漏判。
鍵盤(pán)掃描觸發(fā)模塊實(shí)現的功能為：在KX=0000的狀態(tài)下，如果有任意一個(gè)鍵被按下，KY必然不全為‘1’，觸發(fā)延時(shí)功能開(kāi)始延時(shí)，延時(shí)結束后，如果KY仍不全為‘1’，說(shuō)明該按鍵事件有效，啟動(dòng)掃描時(shí)序產(chǎn)生1H～BH的4位循環(huán)掃描時(shí)序碼，控制后續的鍵盤(pán)掃描電路對鍵盤(pán)掃描，當ReSet變低時(shí)，立即將掃描時(shí)序碼置為OH，停止本次鍵盤(pán)掃描并等待下一次鍵盤(pán)按下事件到來(lái)。鍵盤(pán)掃描觸發(fā)模塊的VHDL語(yǔ)言實(shí)現如下：