• 任务：基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 设计矩阵键盘键入系统并观察调试结果
• 要求：按动矩阵键盘按键，通过核心板上的数码管显示按键的键值。
• 解析：通过FPGA编程驱动矩阵键盘电路，获取矩阵键盘键入的信息，然后通过编码将键盘输出的信息译码成对应的键值信息，最后通过驱动核心板独立数码管，将键盘按键的键值显示在数码管上。

在基础数字电路实验部分我们已经掌握了FPGA驱动独立显示数码管的原理及方法，掌握了有限状态机的设计实现思想，本实验主要学习矩阵键盘的原理及驱动设计。

• 熟悉独立显示数码管驱动模块的应用
• 熟悉状态机FSM的编程方法
• 掌握矩阵键盘的工作原理
• 完成FPGA驱动矩阵键盘的设计实现

根据前面的实验解析我们可以得知，该设计可以拆分成三个功能模块实现，

• ArrayKeyBoard：通过驱动矩阵键盘工作获取键盘的操作信息数据。 * Decoder：通过编码方式将键盘的操作信息译码成对应的键值信息。 * Segmentled：通过驱动核心板独立数码管将键盘按键的键值显示在数码管上。

顶层模块Type_system通过实例化三个子模块并将对应的信号连接，最终实现矩阵键盘键入系统的总体设计。

嵌入式设计中常见的键盘有两种类型，独立键盘与矩阵键盘，

• 独立式按键：每个按键单独连接到一个I/O口上，通过判断按键端口的电位识别按键的操作，编程简单，需要更多I/O资源
• 矩阵式按键：通过行列交叉编码连接，通过分时扫描的方法识别按键的操作，节约I/O资源，编程相对复杂 关于独立键盘的驱动设计，我们在基础数字电路实验部分已经系统学习过，这里主要介绍一下矩阵键盘的原理及驱动方法。 在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，使用行线和列线分别连接到按键开关的两端，这样我们就可以通过4根行线和4根列线（共8个I/O口）连接16个按键，而且按键数量越多优势越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是更加合适的。

这里我们以STEP BaseBoard V3.0底板上的4×4矩阵键盘为例，其电路图如下：

上图为4×4矩阵按键的硬件电路图，可以看到4根行线（ROW1、ROW2、ROW3、ROW4）和4根列线（COL1、COL2、COL3、COL4），同时列线通过上拉电阻连接到VCC电压（3.3V），对于矩阵按键来讲：

• 4根行线是输入的，是由FPGA控制拉高或拉低，
• 4根列线数输出的，是由4根行线的输入及按键的状态决定，输出给FPGA

当某时刻，FPGA控制4根行线分别为ROW1=0、ROW2=1、ROW3=1、ROW4=1时，

• 对于K1、K2、K3、K4按键：按下时对应4根列线输出COL1=0、COL2=0、COL3=0、COL4=0，不按时对应4根列线输出COL1=1、COL2=1、COL3=1、COL4=1，
• 对于K5~~~K16之间的按键：无论按下与否，对应4根列线输出COL1=1、COL2=1、COL3=1、COL4=1，

通过上面的描述：在这一时刻只有K1、K2、K3、K4按键被按下，才会导致4根列线输出COL1=0、COL2=0、COL3=0、COL4=0，否则COL1=1、COL2=1、COL3=1、COL4=1，反之当FPGA检测到列线（COL1、COL2、COL3、COL4）中有低电平信号时，对应的K1、K2、K3、K4按键应该是被按下了。 按照扫描的方式，一共分为4个时刻，分别对应4根行线中的一根拉低，4个时刻依次循环，这样就完成了矩阵按键的全部扫描检测，我们在程序中以这4个时刻对应状态机的4个状态。

1. 双击打开Quartus Prime工具软件；
2. 新建工程：File → New Project Wizard（工程命名，工程目录选择，设备型号选择，EDA工具选择）；
3. 新建文件：File → New → Verilog HDL File，键入设计代码并保存；
4. 设计综合：双击Tasks窗口页面下的Analysis & Synthesis对代码进行综合；
5. 管脚约束：Assignments → Assignment Editor，根据项目需求分配管脚；
6. 设计编译：双击Tasks窗口页面下的Compile Design对设计进行整体编译并生成配置文件；
7. 程序烧录：点击Tools → Programmer打开配置工具，Program进行下载；
8. 观察设计运行结果。