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--- 矩阵按键模块 [2017/05/24 17:24]
anran
+++ 矩阵按键模块 [2017/06/01 10:52]
anran [相关资料]
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 ====硬件说明====
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-STEP-MXO2 V2开发板虽然很小巧，上面也集成了不少外设，在本实验里我们就看看如何用FPGA控制简单外设，如何用按键或者开关控制LED的亮和灭。
+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，使用行线和列线分别连接到按键开关的两端，这样我们就可以通过4根行线和4根列线（共8个I/O口）连接16个按键，而且按键数量越多优势越明显。
+FPGA驱动矩阵按键模块，首先我们来了解矩阵按键的硬件连接：
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-{{ :led.png?600 |}}
+{{ :矩阵按键.jpg?800 |}}
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-这是开发板上的8个红色LED，LED1~8信号连接到FPGA的引脚，作为FPGA输出信号控制。当FPGA输出低电平时LED变亮，当FPGA输出高电平时LED熄灭。
+上图为4x4矩阵按键的硬件电路图，可以看到4根行线（ROW1、ROW2、ROW3、ROW4）和4根列线（COL1、COL2、COL3、COL4），同时列线通过上拉电阻连接到VCC电压（3.3V），对于矩阵按键来讲：
+  - 4根行线是输入的，是由FPGA控制拉高或拉低，
+  - 4根列线数输出的，是由4根行线的输入及按键的状态决定，输出给FPGA
+当某一时刻，FPGA控制4根行线分别为ROW1=0、ROW2=1、ROW3=1、ROW4=1时，
+  *   对于K1、K2、K3、K4按键：按下时对应4根列线输出COL1=0、COL2=0、COL3=0、COL4=0，不按时对应4根列线输出COL1=1、COL2=1、COL3=1、COL4=1，
+  *   对于K5~~~K16之间的按键：无论按下与否，对应4根列线输出COL1=1、COL2=1、COL3=1、COL4=1，
+通过上面的描述：在这一时刻只有K1、K2、K3、K4按键被按下，才会导致4根列线输出COL1=0、COL2=0、COL3=0、COL4=0，否则COL1=1、COL2=1、COL3=1、COL4=1，反之当FPGA检测到列线（COL1、COL2、COL3、COL4）中有低电平信号时，对应的K1、K2、K3、K4按键应该是被按下了。
+按照扫描的方式，一共分为4个时刻，分别对应4根行线中的一根拉低，4个时刻依次循环，这样就完成了矩阵按键的全部扫描检测，我们在程序中以这4个时刻对应状态机的4个状态。
+至于循环的周期，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。
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-{{ ::button.png?600 |}}
+{{ :矩阵按键程序框图.jpg?800 |}}
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-这是开发板上4个按键和4个开关，Key1~4是按键控制信号，SW1~4是开关控制信号，都连接到FPGA的引脚，作为FPGA的输入信号。当按键断开时，FPGA输入为高电平，当按键按下时，FPGA输入为低电平；当开关断开（OFF）时，FPGA输入为低电平，当开关合上（ON）时，FPGA输入为高电平。
+{{ :矩阵按键扫描法原理.jpg |}}
-\\
-所以我们可以用开关或者按键来控制LED的亮灭。
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 ====Verilog代码====
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 <code verilog>
-// ********************************************************************
+// --------------------------------------------------------------------
 // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
-// ********************************************************************
+// --------------------------------------------------------------------
-// File name    : LED.v
+// Module: Array_KeyBoard
-// Module name  : LED
+//
-// Author       : STEP
+// Author: Step
-// Description  : control LED
+//
-// Web          : www.stepfpga.com
+// Description: Array_KeyBoard
 //
+// Web: www.stepfapga.com
+//
 // --------------------------------------------------------------------
 // Code Revision History :
 // --------------------------------------------------------------------
 // Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
-// V1.0     |2017/03/02   |Initial ver
+// V1.0     |2015/11/11   |Initial ver
 // --------------------------------------------------------------------
-// Module Function:利用按键和开关的状态来控制LED灯的亮灭。
+module Array_KeyBoard #
+(
+	parameter			NUM_FOR_200HZ = 60000	//定义计数器cnt的计数范围，例化时可更改
+)
+(
+	input					clk_in,			//系统时钟
+	input					rst_n_in,		//系统复位，低有效
+	input			[3:0]	col,			//矩阵按键列接口
+	output	reg		[3:0]	row,			//矩阵按键行接口
+	output	reg		[15:0]	key_out			//消抖后的信号
+);
+/*
+因使用4x4矩阵按键，通过扫描方法实现，所以这里使用状态机实现，共分为4种状态
+在其中的某一状态时间里，对应的4个按键相当于独立按键，可按独立按键的周期采样法采样
+周期采样时每隔20ms采样一次，对应这里状态机每隔20ms循环一次，每个状态对应5ms时间
+对矩阵按键实现原理不明白的，请去了解矩阵按键实现原理
+*/
+	localparam			STATE0 = 2'b00;
+	localparam			STATE1 = 2'b01;
+	localparam			STATE2 = 2'b10;
+	localparam			STATE3 = 2'b11;
-module LED (key,sw,led);
+	//计数器计数分频实现5ms周期信号clk_200hz
+	reg		[15:0]		cnt;
+	reg					clk_200hz;
+	always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
+		if(!rst_n_in) begin		//复位时计数器cnt清零，clk_200hz信号起始电平为低电平
+			cnt <= 16'd0;
+			clk_200hz <= 1'b0;
+		end else begin
+			if(cnt >= ((NUM_FOR_200HZ>>1) - 1)) begin	//数字逻辑中右移1位相当于除2
+				cnt <= 16'd0;
+				clk_200hz <= ~clk_200hz;	//clk_200hz信号取反
+			end else begin
+				cnt <= cnt + 1'b1;
+				clk_200hz <= clk_200hz;
+			end
+		end
+	end
-	input [3:0] key;						//按键输入信号
+	reg		[1:0]		c_state;
-	input [3:0] sw;							//开关输入信号
+	//状态机根据clk_200hz信号在4个状态间循环，每个状态对矩阵按键的行接口单行有效
-	output [7:0] led;						//输出信号到LED
+	always@(posedge clk_200hz or negedge rst_n_in) begin
+		if(!rst_n_in) begin
-	assign led = {key,sw};                                          //assign连续赋值。大括号是拼接符，表示把key和sw拼接组成一个新的8位数赋值给led
+			c_state <= STATE0;
+			row <= 4'b1110;
+		end else begin
+			case(c_state)
+				STATE0: begin c_state <= STATE1; row <= 4'b1101; end	//状态c_state跳转及对应状态下矩阵按键的row输出
+				STATE1: begin c_state <= STATE2; row <= 4'b1011; end
+				STATE2: begin c_state <= STATE3; row <= 4'b0111; end
+				STATE3: begin c_state <= STATE0; row <= 4'b1110; end
+				default:begin c_state <= STATE0; row <= 4'b1110; end
+			endcase
+		end
+	end
+	//因为每个状态中单行有效，通过对列接口的电平状态采样得到对应4个按键的状态，依次循环
+	always@(negedge clk_200hz or negedge rst_n_in) begin
+		if(!rst_n_in) begin
+			key_out <= 16'hffff;
+		end else begin
+			case(c_state)
+				STATE0:key_out[3:0] <= col;		//采集当前状态的列数据赋值给对应的寄存器位
+				STATE1:key_out[7:4] <= col;
+				STATE2:key_out[11:8] <= col;
+				STATE3:key_out[15:12] <= col;
+				default:key_out <= 16'hffff;
+			endcase
+		end
+	end
 endmodule
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 \\
-====引脚分配====
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-综合(synthesize)完成之后一定要配置FPGA的引脚到相应的外设，这样下载FPGA程序后才能达到我们想要的效果。
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-{{led1.png?300|}}  {{button1.png?300|}}
-\\
 ====小结====
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-下载完程序后就可以实现按键开关控制LED灯的亮灭。了解小脚丫STEP-MXO2 V2上的外设LED、按键和开关的使用。如果你对Diamond软件的使用不了解，请参考这里：[[lattice_diamond的使用|Diamond的使用]]。
+本节主要为大家讲解了矩阵按键的工作原理及软件设计，需要大家掌握的同时自己创建工程，通过整个设计流程，生成FPGA配置文件加载测试。
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+如果你对Diamond软件的使用不了解，请参考这里：[[lattice_diamond的使用|Diamond的使用]]。
+====相关资料====
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+使用[[STEP-MXO2第二代]]的矩阵按键程序:  后续会有下载连接  待更新
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+使用[[STEP-MAX10]]的矩阵按键程序:  后续会有下载连接  待更新
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