基于FPGA的鍵盤(pán)掃描模塊的設計與實(shí)現

　　在電子產(chǎn)品中，鍵盤(pán)是最基本的輸入設備，然而在應用中都采用通用的鍵盤(pán)掃描器件是不現實(shí)的，需要單獨設計成專(zhuān)用的小鍵盤(pán)?，F代EDA(電子設計自動(dòng)化)技術(shù)提供了一種很好的途徑,利用VHDL硬件描述語(yǔ)言和FPGA器件可以很方便地構建鍵盤(pán)掃描模塊。經(jīng)過(guò)實(shí)際操作檢驗,該模塊可以很好地對每一次按鍵動(dòng)作進(jìn)行掃描和響應，實(shí)現預先設計的功能。

　　1 概述

　　1.1 通用鍵盤(pán)和專(zhuān)用鍵盤(pán)

　　在現代個(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,所需要的各種數據和指令等信息都通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)輸入計算機。

　　但是，在各種嵌入式系統(如手機、微波爐、電風(fēng)扇等)中，所需要的鍵盤(pán)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)通常為一百多個(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，針對每一種嵌入式系統都應對鍵盤(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,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)恰如其分地融合到嵌入式系統中，成為其不可分割的一部分。

　　1.2 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。將每個(gè)按鍵的輸出信號對應連接到編碼器的每個(gè)輸入端，通過(guò)編碼邏輯就可以在編碼器的輸出端得到對應每個(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)數碼邏輯的成本較高，直接編碼的方法也不夠靈括，一旦編碼邏輯固定就難以更改。

　　在通用鍵盤(pán)上或當按鍵數量較多時(shí)，普遍采用掃描方式產(chǎn)生鍵值。將按鍵連接成矩陣，每個(gè)按鍵位于某行、某列的交點(diǎn)上，如圖1所示，先通過(guò)掃描方式確定按下鍵的行和列位，即位置碼或掃描碼。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)。

　　1.3 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)應注意將鍵在閉合過(guò)程中往往會(huì )有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 ms～20 ms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，延遲數十毫秒后才讀取鍵值，這種電路稱(chēng)為去抖電路。還應注意當前一個(gè)鍵值還未送出又有按鍵按下時(shí)，后邊的鍵值將覆蓋前邊的鍵值，從而造成丟失。通?？梢栽O置一個(gè)控制信號，使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保存前邊若干個(gè)鍵值，等待系統逐個(gè)按序處理。

　　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)，僅當產(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。這種方式大大減輕了CPU的運行負荷，使其有更多的時(shí)間段去運行其他應用程序。

　　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，鍵盤(pán)掃描程序的流程如圖2所示。這種鍵盤(pán)被稱(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)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，這種掃描方法被稱(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按鍵所在的行值，由行、列值轉換到按鍵鍵值。當然，可以在執行鍵盤(pán)掃描的過(guò)程中加入一定的延時(shí)，以去除抖動(dòng)所帶來(lái)的影響。

　　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，由單片機執行鍵盤(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。

　　2 基于FPGA的實(shí)現方法

　　2.1 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)：

　　該模塊實(shí)時(shí)地將掃描所得的鍵值信息寫(xiě)入存儲器指定地址，鍵值信息包括同一按鍵的重復次數和鍵值，系統軟件定時(shí)從該地址讀取鍵值信息以執行相應的操作。

　　鍵盤(pán)去抖動(dòng)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，這樣就完成了去抖動(dòng)操作。

　　由于該項目不需要ASCⅡ字符編碼按鍵，故將按鍵值設計為1~20直接送出。

　　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)，以后每隔一定時(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息送出;延遲一定時(shí)間后再次掃描。

　　2.2 FPGA具體實(shí)現

　　該設計采用4個(gè)模塊來(lái)實(shí)現鍵盤(pán)掃描功能，分別為即時(shí)掃描模塊、掃描控制模塊、掃描脈沖模塊和鍵值傳送模塊，如圖3所示。

　　2.2.1 即時(shí)掃描模塊

　　該模塊完成鍵盤(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信號輸出到鍵盤(pán)矩陣，然后對KB_IN輸入信號進(jìn)行檢測，以判斷有無(wú)鍵被按下及哪個(gè)鍵被按下，并送出相應的即時(shí)鍵值VALUE。

　　2.2.2 掃描控制模塊

　　該模塊的功能是控制是否允許進(jìn)行掃描及完成鍵盤(pán)去抖動(dòng)等。在無(wú)鍵按下時(shí).CTRL置高電平允許掃描;當連續幾次掃描到同一個(gè)按鍵時(shí)，則認為此鍵被按下(已經(jīng)完成去抖動(dòng)操作)。然后CTRL置低電平，禁止掃描并同時(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。

　　2.2.3 掃描脈沖模塊

　　該模塊的主要功能為產(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)CLK為50Hz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，達到某一特定值時(shí)才送出一次掃描脈沖信號SCAN。

　　2.2.4 鍵值傳送模塊

　　該模塊負責把鍵值信息寫(xiě)入存儲器，供應用軟件定時(shí)查詢(xún)。當輸入端KEYVALUES的值發(fā)生改變時(shí)，才會(huì )發(fā)起一次存儲器寫(xiě)操作。

　　3 結束語(yǔ)

　　此模塊用VHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，經(jīng)過(guò)功能、時(shí)序仿真后利用QUARTUS Ⅱ軟件進(jìn)行編譯并下載到Altera的CYCLONE 1C20開(kāi)發(fā)板上。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實(shí)現鍵盤(pán)掃描和去抖動(dòng)等功能，能正確地識別每一個(gè)按鍵的動(dòng)作。同時(shí)，若對該模塊稍加修改同樣可以移植到其他的系統中，這樣可以大大減輕CPU的運行負荷，這對大多數對系統資源比較敏感的嵌入式系統來(lái)說(shuō)具有很強的現實(shí)意義。