基于FPGA的鍵盤(pán)掃描模塊的設計

引言

在現代的個(gè)人計算機系統中，一般都采用通用的標準鍵盤(pán)(如:標準101/102鍵盤(pán)或Microsoft自然PS/2鍵盤(pán))來(lái)實(shí)現人與計算機之間的接口交互，從而將需要的各種數據和指令等信息都通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)輸人計算機川。

但是，各種嵌人式系統(如:手機、微波爐、電風(fēng)扇等)所需的鍵盤(pán)的按鍵個(gè)數非常有限，通常為幾個(gè)到十幾個(gè)不等‘而標準鍵盤(pán)通常為二百多個(gè)按鍵)，并且每個(gè)按鍵所代表的功能含義也各不相同。所以，每一種嵌人式系統都應對鍵盤(pán)(包括鍵盤(pán)掃描模塊和相關(guān)控制信號等)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設計，以便結合工程實(shí)際情況充分利用該系統已有的各種資源，使所設計的鍵盤(pán)很好地融合到嵌人式系統中。

鍵盤(pán)掃描的基本知識

1.編碼鍵盤(pán)和掃描鍵盤(pán)

在數字電路中，可以利用編碼器實(shí)現按鍵鍵值的直接編碼，以將每個(gè)按鍵的輸出信號對應連接到編碼器的每一個(gè)輸人端。這樣，通過(guò)編碼邏輯就可以在編碼器的輸出端得到對應于每個(gè)按鍵的碼值，早期稱(chēng)這種鍵盤(pán)為編碼鍵盤(pán)。但是當按鍵較多時(shí)，數碼邏輯的成本就較高，并且直接編碼的方法也不夠靈活，而且一旦編碼邏輯固定就難于更改。

當通用鍵盤(pán)上或按鍵數量較多時(shí)，普遍采用掃描方式產(chǎn)生鍵值。因此，可將按鍵連接成矩陣，每個(gè)按鍵位于某行、某列的交點(diǎn)上位口圖1所示)，先通過(guò)掃描方式確定按下鍵的行列位置，稱(chēng)為位置碼或掃描碼。再查表將位置碼轉換為按鍵碼值或者直接使用掃描碼，有些參考書(shū)稱(chēng)此為“非編碼鍵盤(pán)”。但這種名稱(chēng)容易讓人誤解為沒(méi)有對應的鍵值，因此又稱(chēng)為掃描式鍵盤(pán)。

圖1行列式掃描健盤(pán)示意圖

2.硬件掃描鍵盤(pán)與軟件掃描鍵盤(pán)

如果執行掃描的過(guò)程由硬件邏輯實(shí)現，則將這種鍵盤(pán)稱(chēng)為硬件掃描鍵盤(pán)或電子掃描式編碼鍵盤(pán)。在執行鍵盤(pán)掃描時(shí)應注意一個(gè)問(wèn)題，即鍵在閉合過(guò)程中往往存在一些難以避免的機械性抖動(dòng)，使輸出信號也發(fā)生抖動(dòng)，通常達10一20毫秒寬。若不避開(kāi)抖動(dòng)區，則可能誤認為多次按鍵。因此應該設置硬件延時(shí)電路，延遲數十毫秒后再讀取鍵值，這種電路稱(chēng)為去抖電路〕還應注意一個(gè)問(wèn)題，即當前一個(gè)鍵值還未送出，而又有按鍵按下時(shí)，后邊的鍵值將覆蓋前邊的鍵值，造成鍵值丟失問(wèn)題。通?？梢栽O置一控制信號.僅當前一鍵值送出后才允許產(chǎn)生后一鍵值，或者設置一組寄存器來(lái)保存前邊若十個(gè)鍵值，等待系統逐個(gè)按順序處理。

硬件掃描鍵盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)是不需要主機擔負掃描任務(wù)，儀當產(chǎn)生鍵值后才向主機發(fā)出中斷請求，CPU以相應中斷方式接收按鍵鍵值，或者CPU定時(shí)從某個(gè)地址獲取按鍵鍵值。該方式大大減輕了CPU的運行負荷，使其能以更多的時(shí)間去運行其它程序。

當然也可以執行鍵盤(pán)掃描程序，由CPU通過(guò)軟件方法對鍵盤(pán)進(jìn)行掃描。圖2便是一種鍵盤(pán)掃描程序的流程圖，這種鍵盤(pán)稱(chēng)為軟件掃描鍵盤(pán)。按鍵時(shí)，鍵盤(pán)向主機提出中斷請求。由軟件掃描鍵盤(pán)來(lái)獲得按鍵鍵值；或者由CPU定期執行鍵盤(pán)掃描程序，從而獲得按鍵鍵值。即在掃描方法稱(chēng)為逐行掃描法，當有鍵按下時(shí)，首先獲得此鍵的列值，然后逐行掃描就可以判斷出按鍵所在的行值。這樣，由行列值就可以通過(guò)轉換得到按鍵鍵值。當然，要在執行鍵盤(pán)掃描過(guò)程中加人一定的延時(shí)，以去除抖動(dòng)影響。

圈2一種盤(pán)婦描租序流程圈

如果系統對CPU的運行速度要求較高，并且CPU的負荷較重、系統資源比較緊張，則可以在鍵盤(pán)中設置一個(gè)單片機，由它負責執行鍵盤(pán)掃描程序，然后向CPU申請中斷并送出掃描碼或者按鍵鍵值?，F代計算機的通用鍵盤(pán).大多采用這樣的鍵盤(pán)掃描方法。

基于FPGA的設計方法

1. 實(shí)現方法分析

根據項目的實(shí)際需要.擬實(shí)現的鍵盤(pán)掃描模塊應具有如下特點(diǎn):

I)該模塊應能實(shí)時(shí)地將掃描所得的鍵值信息寫(xiě)人存儲器指定地址，其中鍵值信息包括同一按鍵的重復次數和鍵值，系統軟件則應能定時(shí)從該地址讀取鍵值信息以執行相應的操作

2)鍵盤(pán)去抖動(dòng)所采用的方法是多次掃描法，當連續幾次掃描到同一鍵值時(shí)就認為此鍵被按下了，這樣就完成了去抖動(dòng)操作。

3)由于本項目不需要AS(:I I字符編碼按鍵，故應將按鍵值設計為1一20直接送出。

4)為了能表示長(cháng)時(shí)間按鍵的操作，當確定某一按鍵按下時(shí).以后梅隔一定時(shí)間才掃描一次，若獲得同一鍵值，則將按鍵重復次數加一同時(shí)將重復次數和鍵值組合成鍵值信急送出;并在延遲一定時(shí)間后再次掃描……

2.基于FPGA的具體實(shí)現

本文擬采用四個(gè)模塊來(lái)實(shí)現鍵盤(pán)掃描功能，分別是即時(shí)掃描模塊、掃描控制模塊、掃描脈沖模塊和鍵值傳送模塊。圖3是其模塊工作流程。

圈3實(shí)現健盤(pán)掃描的模塊結構

(1)即時(shí)掃描模塊

輸人信號:

CLKSMHZ：時(shí)鐘信號，用于產(chǎn)生時(shí)序；

KB_IN[3:0]：由鍵盤(pán)矩陣送來(lái)的檢測信號;

SCAN：掃描指示信號，每一個(gè)正脈沖到來(lái)時(shí)執行一次鍵盤(pán)掃描

輸出信號：

KB一 OU T[4:O]：輸出到鍵盤(pán)的控制信號，以便從鍵盤(pán)矩陣取得相應的信

號并進(jìn)行檢測;

VALUE[7:0]：掃描所得的即時(shí)鍵值輸出到掃描控制模塊，以便進(jìn)行抖動(dòng)。

模塊功能描述:

本模塊用于完成鍵盤(pán)即時(shí)掃描功能當檢測到SCAN信號有一個(gè)窄脈沖到來(lái)時(shí)，模塊內部將產(chǎn)生一組相應的KB_ OUT信號并輸出到鍵盤(pán)矩陣，然后再對KB_ IN輸人信號進(jìn)行檢測，以判斷有無(wú)鍵被按下以及哪個(gè)鍵被按下，同時(shí)送出相應的即時(shí)鍵值VALUE。

(2)掃描控制模塊

輸人信號:

CLKSOHZ：時(shí)鐘信一號，用于產(chǎn)生時(shí)序;

V ALUE[7:0]：由即時(shí)掃描模塊送來(lái)的即時(shí)鍵值;

CNT[4:0]：來(lái)自?huà)呙杳}沖模塊的計數器值，用于對掃描進(jìn)行延時(shí)。

輸出信號：

KEYVALUES[15:0]：此值為去抖動(dòng)后的鍵值與按鍵重復次數組合而成的數據;

CTRL:掃描使能信號.高電平為使能，低電平為禁止。

模塊功能描述:

本模塊用于控制是否允許進(jìn)行掃描以及完成鍵盤(pán)去抖動(dòng)等。在無(wú)鍵按下時(shí)，CTRL置高電平以允許掃描;當連續幾次掃描到同一個(gè)按鍵時(shí)，則認為此鍵被按下了(已經(jīng)完成了去抖動(dòng)操作)。然后CTRL置低電平以禁止掃描同時(shí)開(kāi)始延時(shí)，當CNT達到某一數值時(shí)，重新進(jìn)行掃描并再次延時(shí)。

同時(shí)將按鍵重復次數和鍵值VALUE組合成KEYVALUES并輸出。以此類(lèi)推，直到無(wú)鍵按下或檢測到其他的鍵值。

(3)掃描脈沖模塊

輸人信號:

CLK50HZ:時(shí)鐘信號，用于產(chǎn)生時(shí)序;

CLKSMHZ:時(shí)鐘信號，用于產(chǎn)生時(shí)序;

CTRL:掃描使能信號，高電平為使能，低電平為禁止。

輸出信號:

SCAN:掃描指示信號，每輸出一個(gè)正脈沖執行一次鍵盤(pán)掃描;

CNT[4:O]：掃描延時(shí)計數器，用于對掃描進(jìn)行延時(shí)。

模塊功能描述：

本模塊的主要功能是產(chǎn)生掃描指示窄脈沖和掃描延時(shí)計數。當CTRL為高電平時(shí)，在每個(gè)CLK50HZ的上升沿送出一個(gè)SCAN窄脈沖;當CTRL為低電平時(shí)，延時(shí)計數器開(kāi)始計數，當達到某一特定值時(shí)，則送出一次掃描脈沖信號SCANo

(4)健值傳送模塊

輸人信號:

SYSCLK:系統時(shí)鐘信號，用于產(chǎn)生時(shí)序;

KEYVALUES[15:0]:此值為去抖動(dòng)后的鍵值與按鍵重復次數組合而成的數據。

輸出信號:

WRITE_ N:存貯器的寫(xiě)使能信號，低電平有效;

ADDRESS[31:0存貯器的鍵值信息寫(xiě)人地址，為恒定值;

KEYVALUE[ 15:0]:要寫(xiě)人存貯器的鍵值信息，其中包括按鍵重復次數和鍵值。

模塊功能描述:

本模塊負責把鍵值信息寫(xiě)入存貯器，供應用軟件定時(shí)查詢(xún)。當且僅當輸人端KEYVALUES的值發(fā)生改變時(shí).才會(huì )發(fā)起一次存貯器寫(xiě)操作。

結束語(yǔ)

將此模塊用VHDL硬件描述語(yǔ)言予以實(shí)現，然后經(jīng)過(guò)功能仿真.再利用QUARTUS II軟件進(jìn)行編譯并下載到ALTERA的CYCLONE 1C20開(kāi)發(fā)板上后.經(jīng)過(guò)對鍵盤(pán)的實(shí)際操作檢驗證明，此模塊可以正常地實(shí)現鍵盤(pán)掃描、去抖動(dòng)等功能。同時(shí)，若對該模塊稍加修改，同樣可以移植到其他嵌人式系統中，這樣可以大大減輕CPU的運行負荷，因此，本設計對大多數對系統資源比較敏感的嵌人式系統來(lái)說(shuō)，具有很強的現實(shí)意義。