基于STEP FPGA的矩阵按键驱动

本节将和大家一起使用FPGA驱动底板上的4×4矩阵键盘。


硬件说明

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。

FPGA驱动矩阵按键模块,首先我们来了解矩阵按键的硬件连接:

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:

  1. 4根行线是输入的,是由FPGA控制拉高或拉低,
  2. 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

当某一时刻,FPGA控制4根行线分别为ROW1=0、ROW2=1、ROW3=1、ROW4=1时,

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。 至于循环的周期,根据我们基础教程里可知,按键抖动的不稳定时间在10ms以内,所以对同一个按键采样的周期大于10ms,这同样取20ms时间。20ms时间对应4个状态,每5分钟进行一次状态转换。



Verilog代码

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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// --------------------------------------------------------------------
// Module: Array_KeyBoard
// 
// Author: Step
// 
// Description: Array_KeyBoard
// 
// Web: www.stepfapga.com
//
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History :
// --------------------------------------------------------------------
// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.0     |2015/11/11   |Initial ver
// --------------------------------------------------------------------
module Array_KeyBoard #
(
	parameter			NUM_FOR_200HZ = 60000	//定义计数器cnt的计数范围,例化时可更改
)
(
	input					clk_in,			//系统时钟
	input					rst_n_in,		//系统复位,低有效
	input			[3:0]	col,			//矩阵按键列接口
	output	reg		[3:0]	row,			//矩阵按键行接口
	output	reg		[15:0]	key_out			//消抖后的信号
);
/*
因使用4x4矩阵按键,通过扫描方法实现,所以这里使用状态机实现,共分为4种状态
在其中的某一状态时间里,对应的4个按键相当于独立按键,可按独立按键的周期采样法采样
周期采样时每隔20ms采样一次,对应这里状态机每隔20ms循环一次,每个状态对应5ms时间
对矩阵按键实现原理不明白的,请去了解矩阵按键实现原理
*/	
	localparam			STATE0 = 2'b00;
	localparam			STATE1 = 2'b01;
	localparam			STATE2 = 2'b10;
	localparam			STATE3 = 2'b11;
 
	//计数器计数分频实现5ms周期信号clk_200hz
	reg		[15:0]		cnt;
	reg					clk_200hz;
	always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
		if(!rst_n_in) begin		//复位时计数器cnt清零,clk_200hz信号起始电平为低电平
			cnt <= 16'd0;
			clk_200hz <= 1'b0;
		end else begin
			if(cnt >= ((NUM_FOR_200HZ>>1) - 1)) begin	//数字逻辑中右移1位相当于除2
				cnt <= 16'd0;
				clk_200hz <= ~clk_200hz;	//clk_200hz信号取反
			end else begin
				cnt <= cnt + 1'b1;
				clk_200hz <= clk_200hz;
			end
		end
	end
 
	reg		[1:0]		c_state;
	//状态机根据clk_200hz信号在4个状态间循环,每个状态对矩阵按键的行接口单行有效
	always@(posedge clk_200hz or negedge rst_n_in) begin
		if(!rst_n_in) begin
			c_state <= STATE0;
			row <= 4'b1110;
		end else begin
			case(c_state)
				STATE0: begin c_state <= STATE1; row <= 4'b1101; end	//状态c_state跳转及对应状态下矩阵按键的row输出
				STATE1: begin c_state <= STATE2; row <= 4'b1011; end
				STATE2: begin c_state <= STATE3; row <= 4'b0111; end
				STATE3: begin c_state <= STATE0; row <= 4'b1110; end
				default:begin c_state <= STATE0; row <= 4'b1110; end
			endcase
		end
	end
 
	//因为每个状态中单行有效,通过对列接口的电平状态采样得到对应4个按键的状态,依次循环
	always@(negedge clk_200hz or negedge rst_n_in) begin
		if(!rst_n_in) begin
			key_out <= 16'hffff;
		end else begin
			case(c_state)
				STATE0:key_out[3:0] <= col;		//采集当前状态的列数据赋值给对应的寄存器位
				STATE1:key_out[7:4] <= col;
				STATE2:key_out[11:8] <= col;
				STATE3:key_out[15:12] <= col;
				default:key_out <= 16'hffff;
			endcase
		end
	end
 
endmodule



小结

本节主要为大家讲解了矩阵按键的工作原理及软件设计,需要大家掌握的同时自己创建工程,通过整个设计流程,生成FPGA配置文件加载测试。
如果你对Diamond软件的使用不了解,请参考这里:Diamond的使用


相关资料


使用STEP-MXO2第二代的矩阵按键程序: 后续会有下载连接 待更新
使用STEP-MAX10的矩阵按键程序: 后续会有下载连接 待更新