基于FPGA的鍵盤掃描模塊的設(shè)計

引言

在現(xiàn)代的個人計算機(jī)系統(tǒng)中，一般都采用通用的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(如:標(biāo)準(zhǔn)101/102鍵盤或Microsoft自然PS/2鍵盤)來實現(xiàn)人與計算機(jī)之間的接口交互，從而將需要的各種數(shù)據(jù)和指令等信息都通過鍵盤來輸人計算機(jī)川。

但是，各種嵌人式系統(tǒng)(如:手機(jī)、微波爐、電風(fēng)扇等)所需的鍵盤的按鍵個數(shù)非常有限，通常為幾個到十幾個不等‘而標(biāo)準(zhǔn)鍵盤通常為二百多個按鍵)，并且每個按鍵所代表的功能含義也各不相同。所以，每一種嵌人式系統(tǒng)都應(yīng)對鍵盤(包括鍵盤掃描模塊和相關(guān)控制信號等)進(jìn)行專門設(shè)計，以便結(jié)合工程實際情況充分利用該系統(tǒng)已有的各種資源，使所設(shè)計的鍵盤很好地融合到嵌人式系統(tǒng)中。

鍵盤掃描的基本知識

1.編碼鍵盤和掃描鍵盤

在數(shù)字電路中，可以利用編碼器實現(xiàn)按鍵鍵值的直接編碼，以將每個按鍵的輸出信號對應(yīng)連接到編碼器的每一個輸人端。這樣，通過編碼邏輯就可以在編碼器的輸出端得到對應(yīng)于每個按鍵的碼值，早期稱這種鍵盤為編碼鍵盤。但是當(dāng)按鍵較多時，數(shù)碼邏輯的成本就較高，并且直接編碼的方法也不夠靈活，而且一旦編碼邏輯固定就難于更改。

當(dāng)通用鍵盤上或按鍵數(shù)量較多時，普遍采用掃描方式產(chǎn)生鍵值。因此，可將按鍵連接成矩陣，每個按鍵位于某行、某列的交點上位口圖1所示)，先通過掃描方式確定按下鍵的行列位置，稱為位置碼或掃描碼。再查表將位置碼轉(zhuǎn)換為按鍵碼值或者直接使用掃描碼，有些參考書稱此為“非編碼鍵盤”。但這種名稱容易讓人誤解為沒有對應(yīng)的鍵值，因此又稱為掃描式鍵盤。

圖1行列式掃描健盤示意圖

2.硬件掃描鍵盤與軟件掃描鍵盤

如果執(zhí)行掃描的過程由硬件邏輯實現(xiàn)，則將這種鍵盤稱為硬件掃描鍵盤或電子掃描式編碼鍵盤。在執(zhí)行鍵盤掃描時應(yīng)注意一個問題，即鍵在閉合過程中往往存在一些難以避免的機(jī)械性抖動，使輸出信號也發(fā)生抖動，通常達(dá)10一20毫秒寬。若不避開抖動區(qū)，則可能誤認(rèn)為多次按鍵。因此應(yīng)該設(shè)置硬件延時電路，延遲數(shù)十毫秒后再讀取鍵值，這種電路稱為去抖電路〕還應(yīng)注意一個問題，即當(dāng)前一個鍵值還未送出，而又有按鍵按下時，后邊的鍵值將覆蓋前邊的鍵值，造成鍵值丟失問題。通?？梢栽O(shè)置一控制信號.僅當(dāng)前一鍵值送出后才允許產(chǎn)生后一鍵值，或者設(shè)置一組寄存器來保存前邊若十個鍵值，等待系統(tǒng)逐個按順序處理。

硬件掃描鍵盤的優(yōu)點是不需要主機(jī)擔(dān)負(fù)掃描任務(wù)，儀當(dāng)產(chǎn)生鍵值后才向主機(jī)發(fā)出中斷請求，CPU以相應(yīng)中斷方式接收按鍵鍵值，或者CPU定時從某個地址獲取按鍵鍵值。該方式大大減輕了CPU的運(yùn)行負(fù)荷，使其能以更多的時間去運(yùn)行其它程序。

當(dāng)然也可以執(zhí)行鍵盤掃描程序，由CPU通過軟件方法對鍵盤進(jìn)行掃描。圖2便是一種鍵盤掃描程序的流程圖，這種鍵盤稱為軟件掃描鍵盤。按鍵時，鍵盤向主機(jī)提出中斷請求。由軟件掃描鍵盤來獲得按鍵鍵值；或者由CPU定期執(zhí)行鍵盤掃描程序，從而獲得按鍵鍵值。即在掃描方法稱為逐行掃描法，當(dāng)有鍵按下時，首先獲得此鍵的列值，然后逐行掃描就可以判斷出按鍵所在的行值。這樣，由行列值就可以通過轉(zhuǎn)換得到按鍵鍵值。當(dāng)然，要在執(zhí)行鍵盤掃描過程中加人一定的延時，以去除抖動影響。

圈2一種盤婦描租序流程圈

如果系統(tǒng)對CPU的運(yùn)行速度要求較高，并且CPU的負(fù)荷較重、系統(tǒng)資源比較緊張，則可以在鍵盤中設(shè)置一個單片機(jī)，由它負(fù)責(zé)執(zhí)行鍵盤掃描程序，然后向CPU申請中斷并送出掃描碼或者按鍵鍵值?，F(xiàn)代計算機(jī)的通用鍵盤.大多采用這樣的鍵盤掃描方法。

基于FPGA的設(shè)計方法

1. 實現(xiàn)方法分析

根據(jù)項目的實際需要.擬實現(xiàn)的鍵盤掃描模塊應(yīng)具有如下特點:

I)該模塊應(yīng)能實時地將掃描所得的鍵值信息寫人存儲器指定地址，其中鍵值信息包括同一按鍵的重復(fù)次數(shù)和鍵值，系統(tǒng)軟件則應(yīng)能定時從該地址讀取鍵值信息以執(zhí)行相應(yīng)的操作

2)鍵盤去抖動所采用的方法是多次掃描法，當(dāng)連續(xù)幾次掃描到同一鍵值時就認(rèn)為此鍵被按下了，這樣就完成了去抖動操作。

3)由于本項目不需要AS(:I I字符編碼按鍵，故應(yīng)將按鍵值設(shè)計為1一20直接送出。

4)為了能表示長時間按鍵的操作，當(dāng)確定某一按鍵按下時.以后梅隔一定時間才掃描一次，若獲得同一鍵值，則將按鍵重復(fù)次數(shù)加一同時將重復(fù)次數(shù)和鍵值組合成鍵值信急送出;并在延遲一定時間后再次掃描……

2.基于FPGA的具體實現(xiàn)

本文擬采用四個模塊來實現(xiàn)鍵盤掃描功能，分別是即時掃描模塊、掃描控制模塊、掃描脈沖模塊和鍵值傳送模塊。圖3是其模塊工作流程。

圈3實現(xiàn)健盤掃描的模塊結(jié)構(gòu)

(1)即時掃描模塊

輸人信號:

CLKSMHZ：時鐘信號，用于產(chǎn)生時序；

KB_IN[3:0]：由鍵盤矩陣送來的檢測信號;

SCAN：掃描指示信號，每一個正脈沖到來時執(zhí)行一次鍵盤掃描

輸出信號：

KB一 OU T[4:O]：輸出到鍵盤的控制信號，以便從鍵盤矩陣取得相應(yīng)的信

號并進(jìn)行檢測;

VALUE[7:0]：掃描所得的即時鍵值輸出到掃描控制模塊，以便進(jìn)行抖動。

模塊功能描述:

本模塊用于完成鍵盤即時掃描功能當(dāng)檢測到SCAN信號有一個窄脈沖到來時，模塊內(nèi)部將產(chǎn)生一組相應(yīng)的KB_ OUT信號并輸出到鍵盤矩陣，然后再對KB_ IN輸人信號進(jìn)行檢測，以判斷有無鍵被按下以及哪個鍵被按下，同時送出相應(yīng)的即時鍵值VALUE。

(2)掃描控制模塊

輸人信號:

CLKSOHZ：時鐘信一號，用于產(chǎn)生時序;

V ALUE[7:0]：由即時掃描模塊送來的即時鍵值;

CNT[4:0]：來自掃描脈沖模塊的計數(shù)器值，用于對掃描進(jìn)行延時。

輸出信號：

KEYVALUES[15:0]：此值為去抖動后的鍵值與按鍵重復(fù)次數(shù)組合而成的數(shù)據(jù);

CTRL:掃描使能信號.高電平為使能，低電平為禁止。

模塊功能描述:

本模塊用于控制是否允許進(jìn)行掃描以及完成鍵盤去抖動等。在無鍵按下時，CTRL置高電平以允許掃描;當(dāng)連續(xù)幾次掃描到同一個按鍵時，則認(rèn)為此鍵被按下了(已經(jīng)完成了去抖動操作)。然后CTRL置低電平以禁止掃描同時開始延時，當(dāng)CNT達(dá)到某一數(shù)值時，重新進(jìn)行掃描并再次延時。

同時將按鍵重復(fù)次數(shù)和鍵值VALUE組合成KEYVALUES并輸出。以此類推，直到無鍵按下或檢測到其他的鍵值。

(3)掃描脈沖模塊

輸人信號:

CLK50HZ:時鐘信號，用于產(chǎn)生時序;

CLKSMHZ:時鐘信號，用于產(chǎn)生時序;

CTRL:掃描使能信號，高電平為使能，低電平為禁止。

輸出信號:

SCAN:掃描指示信號，每輸出一個正脈沖執(zhí)行一次鍵盤掃描;

CNT[4:O]：掃描延時計數(shù)器，用于對掃描進(jìn)行延時。

模塊功能描述：

本模塊的主要功能是產(chǎn)生掃描指示窄脈沖和掃描延時計數(shù)。當(dāng)CTRL為高電平時，在每個CLK50HZ的上升沿送出一個SCAN窄脈沖;當(dāng)CTRL為低電平時，延時計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)達(dá)到某一特定值時，則送出一次掃描脈沖信號SCANo

(4)健值傳送模塊

輸人信號:

SYSCLK:系統(tǒng)時鐘信號，用于產(chǎn)生時序;

KEYVALUES[15:0]:此值為去抖動后的鍵值與按鍵重復(fù)次數(shù)組合而成的數(shù)據(jù)。

輸出信號:

WRITE_ N:存貯器的寫使能信號，低電平有效;

ADDRESS[31:0存貯器的鍵值信息寫人地址，為恒定值;

KEYVALUE[ 15:0]:要寫人存貯器的鍵值信息，其中包括按鍵重復(fù)次數(shù)和鍵值。

模塊功能描述:

本模塊負(fù)責(zé)把鍵值信息寫入存貯器，供應(yīng)用軟件定時查詢。當(dāng)且僅當(dāng)輸人端KEYVALUES的值發(fā)生改變時.才會發(fā)起一次存貯器寫操作。

結(jié)束語

將此模塊用VHDL硬件描述語言予以實現(xiàn)，然后經(jīng)過功能仿真.再利用QUARTUS II軟件進(jìn)行編譯并下載到ALTERA的CYCLONE 1C20開發(fā)板上后.經(jīng)過對鍵盤的實際操作檢驗證明，此模塊可以正常地實現(xiàn)鍵盤掃描、去抖動等功能。同時，若對該模塊稍加修改，同樣可以移植到其他嵌人式系統(tǒng)中，這樣可以大大減輕CPU的運(yùn)行負(fù)荷，因此，本設(shè)計對大多數(shù)對系統(tǒng)資源比較敏感的嵌人式系統(tǒng)來說，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。