【AC620 FPGA试用体验】+矩阵按键

PCB

在矩阵键盘中，每条行线和列线在交叉处都不是直接连同，而是通过一个按键直接相连，这样以来一个4*4的矩阵键盘只需要8根控制线就可以完成16个按键的控制。分类主要分为PCBA型以及薄膜型，AC620配套赠送的为PCBA型，手感更好，毕竟自带哒哒哒答的BGM。

4*4矩阵按键与AC620连接示意图

4*4矩阵按键电路图

矩阵按键扫描原理

检测矩阵按键中某一按键是否被按下，常用的方法是行扫描法。图中一共有8条控制线，4条行控制线(ROW),4条列控制线（COL），而且可以看到8条控制线的初始状态都位高电平。那我们如何去检测某一个按键被按下，并且还能找到其具体的位置？假如我们让COL0=0，然后去逐行的进行扫描每一行，如果ROW0=0出现低电平通过20ms的延迟再次判断该行是否仍然为零，如果仍然为零，那么说明按键0被按下。其它按键的检测类似这种方法。

1．扫描COL0列：

a)将COL0-COL3输出为0111。

b)读ROW0- ROW3这4个输入口的电平。如果048c都没被按下，则ROW0-ROW3由于都是上拉到VCC的原因，全部都为1；如果有1个按键被按下比如是0，则ROW0-ROW3输出应为0111，以此类推若8被按下ROW0-ROW3输出应为1101。若都没被按下则开始第二列扫描。

2．扫描COL1列：

a) 将COL0-COL3输出为1011。

b) 读ROW0- ROW3这4个输入口的电平。如果159D都没被按下，则ROW0-ROW3由于都是上拉到VCC的原因，全部都为1；如果有1个被按下比如是5，则ROW0-ROW3输出应为1011，可依此类推其他按键被按下情况。若都没被按下则开始第三列扫描。

3．扫描COL2列：

a) 将COL0-COL3输出为1101。

b) 读ROW0- ROW3这4个输入口的电平。如果26AE都没被按下，则ROW0-ROW3由于都是上拉到VCC的原因，全部都为1；如果有1个被按下比如是A，则ROW0-ROW3输出应为1101，可依此类推其他按键被按下情况。若都没被按下则开始第四列扫描。

4．扫描COL3列：

a) 将COL0-COL3输出为1110。

b) 读ROW0- ROW3这4个输入口的电平。如果37BF都没被按下，则ROW0-ROW3由于都是上拉到VCC的原因，全部都为1；如果有1个被按下比如是F，则ROW0-ROW3输出应为1110，可依此类推其他按键被按下情况。若都没被按下则开始下一轮扫描，即开始第一列扫描。

通过这4列的扫描，就已经能够确定S这16个按键当前的状态了。

矩阵按键检测模块接口设计
经过以上原理分析确立以下模块接口示意图

图2 矩阵按键模块框图

信号名称	I/O	功能描述
Clk	I	模块时钟，50MHz
Rst_n	I	模块复位，低电平有效
Key_Board_row_i	I	矩阵按键行输入信号
Key_Flag	O	按键检测完成标志信号
Key_Value	O	按键值
Key_Board_col_o	O	矩阵按键输出列信号

表2 矩阵按键模块接口列表

状态机及功能描述

状态机编码	状态机名称	功能描述
1	IDLE	检测按键是否按下，若按下则开始按键消抖
2	P_FILTER	按键消抖检测，消抖完成开始读取行状态
3	READ_ROW_P	读取行状态信号值，并开始列扫描
4	SCAN_C0	扫描第一列，并判断按下按键是否在当前列，若否则开始扫描下一列
5	SCAN_C1	扫描第二列，并判断按下按键是否在当前列，若否则开始扫描下一列
6	SCAN_C2	扫描第三列，并判断按下按键是否在当前列，若否则开始扫描下一列
7	SCAN_C3	扫描第三列，并输出按键值
8	PRESS_RESULT	输出扫描结果
9	WAIT_R	等待按键释放
10	R_FILTER	释放检测
11	READ_ROW_R	释放结束后，回到初始态

先编写一个20ms的延时信号

reg [19:0] counter;

reg En_Cnt;

reg Cnt_Done;

always@(posedge Clk or negedge Rst_n)

if(!Rst_n)

counter <= 20'd0;

else if(En_Cnt)begin

if(counter == 20'd999999)

counter <= 20'd0;

else

counter <= counter + 1'b1;

end

else

counter <= 20'd0;

always@(posedge Clk or negedge Rst_n)

if(!Rst_n)

Cnt_Done <= 1'b0;

else if(counter == 20'd999999)

Cnt_Done <= 1'b1;

else

Cnt_Done <= 1'b0;

开始状态机的编写，这里使用一段

reg [3:0]Col_Tmp;

reg [3:0]Key_Value;

reg [7:0]Key_Value_tmp;

reg Key_Flag_r;

reg [10:0]state;

always@(posedge Clk or negedge Rst_n)

if(!Rst_n)begin

En_Cnt <= 1'b0;

state <= IDEL;

Key_Board_Col_o <= 4'b0000;

Col_Tmp <= 4'd0;

Key_Flag_r <= 1'b0;

Key_Value_tmp <= 8'd0;

Key_Board_Row_r <= 4'b1111;

end

else begin

case(state)

//////此部分见下

default:;

endcase

end

检测按键是否按下，若按下则开始按键消抖并使能20MS计数器。

  IDEL:
    if(Key_Board_Row_i != 4'b1111)begin
          En_Cnt <= 1'b1;
          state <= P_FILTER;
    end
    else begin
          En_Cnt <= 1'b0;
          state <= IDEL;

end

按键消抖检测，消抖完成开始读取行状态

P_FILTER:

if(Cnt_Done) begin

En_Cnt <= 1'b0;

state <= READ_ROW_P;

end

else begin

En_Cnt <= 1'b1;

state <= P_FILTER;

end

按键仍被按下（真实按下非抖动），暂存行状态值，并开始列扫描

READ_ROW_P:

if(Key_Board_Row_i != 4'b1111)begin

Key_Board_Row_r <= Key_Board_Row_i;

state <= SCAN_C0;

Key_Board_Col_o <= 4'b1110;

end

else begin

state <= IDEL;

Key_Board_Col_o <= 4'b0000;

end

扫描第0列，若按键在在第0列被按下，则寄存此时列值到列寄存器中。

SCAN_C0:

begin

state <= SCAN_C1;

Key_Board_Col_o <= 4'b1101;

if(Key_Board_Row_i != 4'b1111)

Col_Tmp <= 4'b0001;

else

Col_Tmp <= 4'b0000;

end

扫描第1列，若按键在在第0列被按下，则寄存此时列值到列寄存器中。

SCAN_C1:

begin

state <= SCAN_C2;

Key_Board_Col_o <= 4'b1011;

if(Key_Board_Row_i != 4'b1111)

Col_Tmp <= Col_Tmp | 4'b0010;

else

Col_Tmp <= Col_Tmp;

end

扫描第2列，若按键在在第2列被按下，则寄存此时列值到列寄存器中。

SCAN_C2:

begin

state <= SCAN_C3;

Key_Board_Col_o <= 4'b0111;

if(Key_Board_Row_i != 4'b1111)

Col_Tmp <= Col_Tmp | 4'b0100;

else

Col_Tmp <= Col_Tmp;

end

扫描第3列，若按键在在第3列被按下，则寄存此时列值到列寄存器中。

SCAN_C3:

begin

state <= PRESS_RESULT;

if(Key_Board_Row_i != 4'b1111)

Col_Tmp <= Col_Tmp | 4'b1000;

else

Col_Tmp <= Col_Tmp;

end

这样四列扫描结束即可得到一个值，并产生一次检测结束标志信号，信号最终输出组成为列值、行值。其中if中判断语句是为了 /*4位行输入值相加为3，表明有且只有一个行输入为0，既保证只有一行中有按键被按下*4位列扫描结果相加为1，表明有且只有列中有按键被按下，通过这两个条件保证了一次*按键中只有一个按键被按下时才检测有效*/

PRESS_RESULT:

begin

state <= WAIT_R;

Key_Board_Col_o <= 4'b0000;

if(((Key_Board_Row_r[0] + Key_Board_Row_r[1] + Key_Board_Row_r[2] + Key_Board_Row_r[3]) == 4'd3) ||

((Col_Tmp[0] + Col_Tmp[1] + Col_Tmp[2] + Col_Tmp[3]) == 4'd1))begin

Key_Flag_r <= 1'b1;

Key_Value_tmp <= {Key_Board_Row_r,Col_Tmp};

end

else begin

Key_Flag_r <= 1'b0;

Key_Value_tmp <= Key_Value_tmp;

end

等待按键释放，若检测到行信号全为1，开始释放抖动检测

WAIT_R:

begin

Key_Flag_r <= 1'b0;

if(Key_Board_Row_i == 4'b1111)begin

En_Cnt <= 1'b1;

state <= R_FILTER;

end

else begin

state <= WAIT_R;

En_Cnt <= 1'b0;

end

释放抖动检测，

R_FILTER:

if(Cnt_Done) begin

En_Cnt <= 1'b0;

state <= READ_ROW_R;

end

else begin

En_Cnt <= 1'b1;

state <= R_FILTER;

end

是否完全释放，如是则回到初始态，如不是则继续等待释放完成。

READ_ROW_R:

if(Key_Board_Row_i == 4'b1111)

state <= IDEL;

else begin

En_Cnt <= 1'b1;

state <= R_FILTER;

end

在得到行值与列值后需要译码出实际按键所代表的含义

always@(posedge Clk or negedge Rst_n)

if(!Rst_n)begin

Key_Flag <= 1'd0;

Key_Value <= 4'd0;

end

else begin

Key_Flag <= Key_Flag_r;

case(Key_Value_tmp)

8'b1110_0001 : Key_Value = 4'h0;

8'b1110_0010 : Key_Value = 4'h1;

8'b1110_0100 : Key_Value = 4'h2;

8'b1110_1000 : Key_Value = 4'h3;

8'b1101_0001 : Key_Value = 4'h4;

8'b1101_0010 : Key_Value = 4'h5;

8'b1101_0100 : Key_Value = 4'h6;

8'b1101_1000 : Key_Value = 4'h7;

8'b1011_0001 : Key_Value = 4'h8;

8'b1011_0010 : Key_Value = 4'h9;

8'b1011_0100 : Key_Value = 4'hA;

8'b1011_1000 : Key_Value = 4'hB;

8'b0111_0001 : Key_Value = 4'hC;

8'b0111_0010 : Key_Value = 4'hD;

8'b0111_0100 : Key_Value = 4'hE;

8'b0111_1000 : Key_Value = 4'hF;

default:begin Key_Value = Key_Value;Key_Flag <= Key_Flag;end

endcase

end

验证

板级测试

另外，在之前介绍矩阵键盘检测原理的时候讲解过，对于ROW信号，其与FPGA的连接管脚上默认是连接了有上拉电阻的，但是市面上很多矩阵键盘默认都是没有提供上拉电阻的，我们开发板选配的矩阵键盘默认也是没有提供上拉电阻的，那么是不是没有上拉电阻就不能完成实验了呢？实际上，我们可以使用FPGA片上的IO弱上拉电阻来代替外部的上拉电阻。

受限于篇幅问题，具体操作可以在芯航线手册中找到。

下面我们再通过另开一种方法也是工作中比较常用的一种验证方法，嵌入式逻辑分析仪，来检测本设计在板上运行时的工作情况。

经过上述描述，硬件的环境搭建完毕，然后使用Quartusii里面SignalTap进行在线调试，抓取实时数据分析波形。

观察逻辑分析仪抓取到的信号，可以见到当完成一次检测时，Key_Board_Row_r寄存器中行值为0010b，此时的列值Col_Tmp为0010b,检测结果Key_Value_tmp为0010_0010b,通过译码结果Key_Value为第一行第一列所以键值为“0101”，同理可以分析其他键值情况。

Harvestlamb · 2017-8-24 00:43:20

呵呵哒

h1654156195.4410 · 2018-10-18 08:13:55

据说回复可以加积分不知道管不管用啊

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