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矩阵键盘键入系统设计 [2018/10/22 11:11] anran [实验原理] |
矩阵键盘键入系统设计 [2018/10/22 11:20] (当前版本) anran [实验现象] |
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| 行 55: | 行 55: | ||
| 通过上节的描述，大家对于矩阵键盘工作的原理应该都没有问题了，那么我们怎么编程实现矩阵键盘驱动设计呢？我们将矩阵键盘的扫描周期分为4个时刻，对应4个状态，使得状态机在4个状态上循环跳转，最终通过扫描的方式获取矩阵键盘的操作状态。 | 通过上节的描述，大家对于矩阵键盘工作的原理应该都没有问题了，那么我们怎么编程实现矩阵键盘驱动设计呢？我们将矩阵键盘的扫描周期分为4个时刻，对应4个状态，使得状态机在4个状态上循环跳转，最终通过扫描的方式获取矩阵键盘的操作状态。 | ||
| - | {{:矩阵按键扫描法原理.jpg?600|状态机各状态逻辑}} | + | {{:矩阵按键扫描法原理.jpg?800|状态机各状态逻辑}} |
| 状态机程序实现如下： | 状态机程序实现如下： | ||
| 行 80: | 行 80: | ||
| 至于状态机循环的周期，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，这里同样取20ms时间。20ms时间对应4个状态，每5分钟进行一次状态转换。所以我们在状态机之前先增加分频模块，得到200Hz的分频时钟，然后状态机按照200Hz分频时钟的节拍做状态跳转和键盘采样。 | 至于状态机循环的周期，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，这里同样取20ms时间。20ms时间对应4个状态，每5分钟进行一次状态转换。所以我们在状态机之前先增加分频模块，得到200Hz的分频时钟，然后状态机按照200Hz分频时钟的节拍做状态跳转和键盘采样。 | ||
| - | {{:矩阵按键程序框图.jpg?500|状态转移图}} | + | {{:矩阵按键程序框图.jpg?600|状态转移图}} |
| 状态机程序实现如下： | 状态机程序实现如下： | ||
| 行 128: | 行 128: | ||
| 对于大多数需要循环扫描的硬件来说，程序写到这里应该就完成了，但是大家想想我们之前基础数字电路实验关于按键消抖部分的内容，因为我们是在对按键采样，按键是会抖动的，所以我们还要想办法对采集回来的数据做一些判定，怎么判定呢？ 这就得回到矩阵键盘工作原理上来了。 | 对于大多数需要循环扫描的硬件来说，程序写到这里应该就完成了，但是大家想想我们之前基础数字电路实验关于按键消抖部分的内容，因为我们是在对按键采样，按键是会抖动的，所以我们还要想办法对采集回来的数据做一些判定，怎么判定呢？ 这就得回到矩阵键盘工作原理上来了。 | ||
| - | {{:抖动原理.png?500|按键抖动示意}} | + | {{:抖动原理.png?800|按键抖动示意}} |
| 上图是市面上常见按键抖动的模型，有三个参数，按下抖动10ms以内，松开抖动10ms以内，按键周期数百ms；前面说过键盘的采样周期为20ms，可以得到以下结论： | 上图是市面上常见按键抖动的模型，有三个参数，按下抖动10ms以内，松开抖动10ms以内，按键周期数百ms；前面说过键盘的采样周期为20ms，可以得到以下结论： | ||
| 行 162: | 行 162: | ||
| 经过上面程序的处理，我们就得到了16位脉冲信号，平时为低电平，当按键被按下时刻key_pulse产生一个高脉冲，脉冲的宽度为模块系统时钟clk_in的一个周期。 | 经过上面程序的处理，我们就得到了16位脉冲信号，平时为低电平，当按键被按下时刻key_pulse产生一个高脉冲，脉冲的宽度为模块系统时钟clk_in的一个周期。 | ||
| - | {{:2-状态机状态转移图.png?600|状态机状态转移图}} | + | {{:2-状态机状态转移图.png?800|状态机状态转移图}} |
| ===系统总体实现=== | ===系统总体实现=== | ||
| + | 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， 模块通过一个4位的输入传递要显示的数值，通过9位的输出控制数码管显示该数值，这里我们不再重复。 | ||
| + | 矩阵键盘驱动模块输出的是脉冲信号，后面数码管驱动模块输入的是用4位位宽表示的数据，所以中两个实例之间就需要一个编码的功能块，主要功能是根据矩阵键盘的脉冲输出（key_pulse）判定键盘的操作，通过编码对应提供按键的键值数据（seg_data），最后通过连线将键值数据连接到数码管模块的输入端口。 | ||
| + | 键值显示转码程序实现 | ||
| + | <code verilog> | ||
| + | //key_pulse transfer to seg_data | ||
| + | always@(posedge clk or negedge rst_n) begin | ||
| + | if(!rst_n) begin | ||
| + | seg_data <= 8'h00; | ||
| + | end else begin | ||
| + | case(key_pulse) //key_pulse脉宽等于clk_in的周期 | ||
| + | 16'h0001: seg_data <= 8'h01; //编码 | ||
| + | 16'h0002: seg_data <= 8'h02; | ||
| + | 16'h0004: seg_data <= 8'h03; | ||
| + | 16'h0008: seg_data <= 8'h04; | ||
| + | 16'h0010: seg_data <= 8'h05; | ||
| + | 16'h0020: seg_data <= 8'h06; | ||
| + | 16'h0040: seg_data <= 8'h07; | ||
| + | 16'h0080: seg_data <= 8'h08; | ||
| + | 16'h0100: seg_data <= 8'h09; | ||
| + | 16'h0200: seg_data <= 8'h10; | ||
| + | 16'h0400: seg_data <= 8'h11; | ||
| + | 16'h0800: seg_data <= 8'h12; | ||
| + | 16'h1000: seg_data <= 8'h13; | ||
| + | 16'h2000: seg_data <= 8'h14; | ||
| + | 16'h4000: seg_data <= 8'h15; | ||
| + | 16'h8000: seg_data <= 8'h16; | ||
| + | default: seg_data <= seg_data; //无按键按下时保持 | ||
| + | endcase | ||
| + | end | ||
| + | end | ||
| + | </code> | ||
| + | |||
| + | 综合后的设计框图如下： | ||
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| + | {{:2-rtl设计框图.png?800|rtl设计框图}} | ||
| ====实验步骤==== | ====实验步骤==== | ||
| - 双击打开Quartus Prime工具软件； | - 双击打开Quartus Prime工具软件； | ||
| 行 179: | 行 214: | ||
| ====实验现象==== | ====实验现象==== | ||
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| + | 按动矩阵键盘上的按键，核心板独立显示数码管会更新显示对应键值。例如上电默认显示00，按动K8按键，数码管显示08，再按动K16按键，数码管显示16。 | ||