矩阵键盘接口电路的设计

一、 实验目的
1、了解普通4×4键盘扫描的原理。
2、进一步加深七段码管显示过程的理解。
3、了解对输入/输出端口的定义方法。
二、 实验原理
实现键盘有两种方案：一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描；再就是用软件实现键盘扫描。作为一个嵌入系统设计人员，总是会关心产品成本。目前有很多芯片可以用来实现键盘扫描，但是键盘扫描的软件实现方法有助于缩减一个系统的重复开发成本，且只需要很少的CPU 开销。嵌入式控制器的功能能强，可以充分利用这一资源，这里就介绍一下软键盘的实现方案。

图4-12-1 简单键盘电路
通常在一个键盘中使用了一个瞬时接触开关，并且用如图4-12-1 所示的简单电路，微处理器可以容易地检测到闭合。当开关打开时，通过处理器的I/O 口的一个上拉电阻提供逻辑1；当开关闭合时，处理器的/IO 口的输入将被拉低得到逻辑0。可遗憾的是，开关并不完善，因为当它们被按下或者被释放时，并不能够产生一个明确的1 或者0。尽管触点可能看起来稳定而且很快地闭合，但与微处理器快速的运行速度相比，这种动作是比较慢的。当触点闭合时，其弹起就像一个球。弹起效果将产生如图4-12-2 所示的好几个脉冲。弹起的持续时间通常将维持在5ms∼30ms 之间。如果需要多个键，则可以将每个开关连接到微处理器上它自己的输入端口。然而，当开关的数目增加时，这种方法将很快使用完所有的输入端口。

图4-12-2 按键抖动
键盘上阵列这些开关最有效的方法（当需要5 个以上的键时）就形成了一个如图4-12-3 所示的二维矩阵。当行和列的数目一样多时，也就是方型的矩阵，将产生一个最优化的布列方式（I/O 端被连接的时候）。一个瞬时接触开关（按钮）放置在每一行与线一列的交叉点。矩阵所需的键的数目显然根据应用程序而不同。每一行由一个输出端口的一位驱动，而每一列由一个电阻器上拉且供给输入端口一位。

图4-12-3 矩阵键盘
键盘扫描的实现过程如下：对于4×4键盘，通常连接为4行、4列，因此要识别按键，只需要知道是哪一行和哪一列即可，为了完成这一识别过程，我们的思想是，首先固定输出4行为高电平，然后输出4列为低电平，在读入输出的4行的值，通常高电平会被低电平拉低，如果读入的4行均为高电平，那么肯定没有按键按下，否则，如果读入的4行有一位为低电平，那么对应的该行肯定有一个按键按下，这样便可以获取到按键的行值。同理，获取列值也是如此，先输出4列为高电平，然后在输出4行为低电平，再读入列值，如果其中有哪一位为低电平，那么肯定对应的那一列有按键按下。
获取到行值和列值以后，组合成一个8位的数据，根据实现不同的编码在对每个按键进行匹配，找到键值后在7段码管显示。
三、   实验内容
本实验要求完成的任务是通过编程实现对4X4矩阵键盘按下键的键值的读取，并在数码管上完成一定功能（如移动等）的显示。
四、     实验步骤
1、打开QUARTUSII软件，新建一个工程。
2、建完工程之后，再新建一个VHDL File，打开VHDL编辑器对话框。
3、按照实验原理和自己的想法，在VHDL编辑窗口编写VHDL程序，用户可参照光盘中提供的示例程序。
4、编写完VHDL程序后，保存起来。方法同实验一。
5、对自己编写的VHDL程序进行编译并仿真，对程序的错误进行修改。
6、编译仿真无误后，根据用户自己的要求进行管脚分配。分配完成后，再进行全编译一次，以使管脚分配生效。
7、根据实验内容用实验导线将上面管脚分配的FPGA管脚与对应的模块连接起来。
如果是调用的本书提供的VHDL代码，则实验连线如下：
Clk：FPGA工作时钟信号，接数字时钟CLOCK3，并设为1464HZ。
Kr[0:3]：分别接4×4键盘部分的R1、R2、R3和R4。
Kc[0:3]：分别接4×4键盘部分的C1、C2、C3和C4。
Sa、Sb、Sc：接七段码显示区的Sel0、Sel1和Sel2。
A、B、C、D、E、F、G：接七段码显示区的A、B、C、D、E、F和G
8、用下载电缆通过JTAG口将对应的sof文件加载到FPGA中。观察实验结果是否与自己的编程思想一致。
五、   实验结果与现象
以设计的参考示例为例，当设计文件加载到目标器件后，确认信号连接线已正确连接，按下矩阵键盘的某一个键，则在数码管上显示对应的这个键标识的键值，当再按下第二个键的时候前一个键的键值在数码管上左移一位。
六、   实验报告
1、绘出不同的键值时的数码管的仿真波形，并作说明。
2、根据自己的思路，找一找还有没有其它方法进行键盘的扫描显示。并画出流程图。
1、将实验原理、设计过程、编译仿真波形和分析结果、硬件测试结果记录下来。