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【上板现象】
按键控制数字时钟在点拨板的上板现象
https://www.bilibili.com/video/BV1Af4y117H4?p=15
按键控制数字时钟在实现箱的上板现象
https://www.bilibili.com/video/BV1Af4y117H4?p=16
【设计教程】
至简设计系列_矩阵按键检测
--作者:肖肖肖
1.1 总体设计
1.1.1 概述
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。在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接。这样,一个端口(如P1 口)就可以构成4*4=16个按键,比之直接将端口线用于键盘多出了一倍,而且线数越多,区别越明显,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合理的。
1.1.2 设计目标
完成矩阵键盘的扫描检测程序,具体功能要求如下:
1. 运用逐行扫描的方法进行按键监测; 2. 每行扫描的时间不少于 20ms,滤除抖动; 3. 检测到有按键按下之后,消抖时间20ms; 4. 输出信号 key_vld 持续一拍即可; 5. 输出信号key_out表示16 个按键,并在数码管上显示对应数值;
1.1.3 系统结构框图系统结构框图如下图一所示:
图一 1.1.4模块功能
矩阵键盘模块实现功能
1、将外来异步信号打两拍处理,将异步信号同步化。 2、实现20ms按键消抖功能。 3、实现矩阵键盘的按键检测功能,并输出有效按键信号。
数码管显示模块实现功能
1、 对接收到的按键数据进行译码并显示。
1.1.5顶层信号 信号名 | | | | clk | | | | rst_n | | | | Key_col | | | 4位矩阵键盘列信号,最高位表示矩阵键盘往右数第四列,默认高电平 | Key_row | | | 4位矩阵键盘行信号,最高位表示矩阵键盘往下数第四行 | Segment | | | | Seg_sel | | | |
1.1.6参考代码
下面是使用工程的顶层代码:
- module top_KeyScanCheck(
- clk ,
- rst_n ,
- key_col ,
- key_row ,
- segment ,
- seg_sel
- );
- parameter DATA_W = 4;
- input clk ;
- input rst_n ;
- input [3:0] key_col;
-
- output [3:0] key_row;
- output [7:0] segment;
- output [1:0] seg_sel;
- wire [3:0] key_row;
- wire [7:0] segment;
- wire [1:0] seg_sel;
- wire [DATA_W-1:0] key_out;
- wire key_vld;
- wire [DATA_W-1:0] segment_data;
- key_scan u1(
- .clk ( clk ),
- .rst_n ( rst_n ),
- .key_col ( key_col ),
- .key_row ( key_row ),
- .key_out ( key_out ),
- .key_vld ( key_vld )
- );
- seg_disp u2(
- .clk ( clk ),
- .rst_n ( rst_n ),
- .data_in ( key_out ),
- .key_en ( key_vld ),
- .segment ( segment ),
- .seg_sel ( seg_sel )
- );
- endmodule
复制代码
1.2 矩阵键盘模块设计
1.2.1接口信号 信号名 | | | | clk | | | | rst_n | | | | key_col | | | 4位矩阵键盘列信号,最高位表示矩阵键盘往右数第四列,默认高电平 | key_row | | | 4位矩阵键盘行信号,最高位表示矩阵键盘往下数第四行 | key_out | | | | key_vld | | | |
1.2.2 设计思路
行扫描法原理开发板上为 4*4 矩阵键盘:默认 4 条列线上来高电平,4 条行线默认接高电平。列线 KEY_C1 ~ KEY_C4分别接有4个上拉电阻到正电源 +3.3 V,并把列线 KEY_C1~KEY_C4设置为输入线,行线KEY_R1~KEY_R4设置为输出线。4根行线和4根列线形成16个相交点。 如下图所示:
确认矩阵键盘上哪个按键被按下有多同方法,其中行扫描法又称为逐行(或列)扫描查询法,是一种最常用的按键识别方法。 1. 判断键盘中有无键按下:将全部行线KEY_R1~KEY_R4 置低电平,然后检测列线 KEY_C1~KEY_C4 的状态。只要有一列的电平为低,则表示键盘中有键被按下,而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4 个按键之中。若所有列线均为高电平,则键盘中无键按下。 2. 判断闭合键所在的位置:在确认有键按下后,即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是:依次将行线置为低电平,即在置某根行线为低电平时,其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后,再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低,则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。 打拍操作输入的key_col是异步信号,所以要进行打两拍操作,将异步信号key_col同步化,并防止亚稳态。 设计代码如下: - input [3:0] key_col ;
-
- reg [3:0] key_col_ff0 ;
- reg [3:0] key_col_ff1 ;
-
- always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
- if(rst_n==1'b0)begin
- key_col_ff0 <= 4'b1111;
- key_col_ff1 <= 4'b1111;
- end
- else begin
- key_col_ff0 <= key_col ;
- key_col_ff1 <= key_col_ff0;
- end
- end
复制代码
按键消抖对于按键和触摸屏等机械设备来说,都存在一个固有问题,那就是“抖动”,按键从最初接通到稳定接通要经过数毫秒,其间可能发生多次“接通-断开”这样的毛刺。如果不进行处理,会使系统识别到抖动信号而进行不必要的反应,导致模块功能不正常,为了避免这种现象的产生,需要进行按键消抖的操作。 软件方法消抖,即检测出键闭合后执行一个延时程序,抖动时间的长短由按键的机械特性决定,一般为5ms~20ms,让前沿抖动消失后再一次检测键的状态,如果仍保持闭合状态电平,则确认按下按键操作有效。当检测到按键释放后,也要给5ms~20ms的延时,待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。
由于按键按下去的时间一般都会大于20ms,为了达到不管按键按下多久,都视为按下一次的效果,提出以下计数器架构,如下图所示:
消抖计数器shake_cnt:用于计算20ms的时间,加一条件为key_col_ff1 != 4'hf || key_row_check==1,表示当某个按键按下或者进行行扫描时就开始计数;数到1,000,000下,表示数到20ms就结束。 行扫描计数器row_index:用于区分扫描的行,加一条件为key_row_check && end_shake_cnt,表示当处于行扫描状态并且每行消抖20ms后,开始扫描下一行;数到4下,表示4行按键扫描完了。 按键:表示有无按键按下,没被按下时为高电平,按下后为低电平。 行扫描指示信号key_row_check:该信号为高电平,指示当前处于行扫描状态。 矩阵键盘列信号key_col_ff1:4bit位宽的矩阵键盘列信号,最高位表示矩阵键盘往右数第四列,默认信号为key_col_ff1 = 4'hf,否则表示该信号低电平对应位的列有按键按下。
1.2.3参考代码
1.3 数码管显示模块设计1.3.1接口信号 信号名 | | | | clk | | | | rst_n | | | | data_in | | | | key_en | | | | segment | | | | seg_sel | | | |
1.3.2设计思路在前面的案例中已经有数码管显示的介绍,所以这里不在过多介绍,详细介绍请看下方链接:
1.3.3参考代码
1.4 效果和总结
下图是该工程在db603开发板上的现象——按下按键s7
下图是该工程在ms980试验箱上的现象——按下按键s13
由于该项目的上板现象是按下矩阵按键,数码管显示对应的按键号,想观看完整现象的朋友可以看一下现象演示的视频。 感兴趣的朋友也可以访问明德扬论坛(http://www. FPGAbbs.cn/ )进行FPGA 相关工程设计学习,也可以看一下我们往期的文章: 1.5 公司简介明德扬是一家专注于FPGA领域的专业性公司,公司主要业务包括开发板、教育培训、项目承接、人才服务等多个方向。点拨开发板——学习FPGA的入门之选。
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【设计教程下载】
至简设计系列_矩阵按键检测.pdf
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