## 键盘扫描及数码管显示实验
### 1. 实验内容
通过本实验熟悉矩阵键盘的动态扫描工作原理,以及七段数码管的扫描显示原理,提高复杂FPGA数字逻辑设计及输入输出接口设计技能。本实验要求实现对4*4扫描键盘上输入键的进行识别,并把输入按键相应的行值和列值在七段数码管L7和L8上显示出来。
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### 2. 实验原理
#### 2.1 扫描键盘原理
{{ :图10-1.png |图10-1 4×4扫描键盘连接示意图}}
**图10-1 4×4扫描键盘连接示意图**
图10-1为4×4键盘的连接示意图,S3-S18为16个按键,KR0-KR3 为行线输入端,KC0-KC3 为列线输出端。\\
扫描键盘的工作原理如下:\\
(1)首先由输出端KC0-KC3 向所有的列线输出高电平,读取各行线KR0-KR3的状态。若所有的行线输出全为低电平,则表明无键按下,反之,若有某行行线的输出为高电平,则表明有键按下,如图10-2(a)所示。\\
(2)当检测到行线输出为电平后,需要先进行消抖,这是因为按键在闭合和打开的瞬间会产生许多尖脉冲,持续时间约几毫秒到几十毫秒,需要等电平稳定后再进行扫描。具体方法是每隔4ms读一次行线输出状态,直到连续8次读取的输出完全相同,则认为抖动已经消除。消抖时间为 4ms×8=32ms。\\
(3) 在消抖结束后进行键盘扫描,即在KC0-KC3四条列扫描线上依次输出高电平,在每次输出高电平期间,读取各行线KR0-KR3的值。如果在该列有按键被按下,则KR0-KR3必然有一个为高。例如,KC0-KC3输出“0100”,此时若读取 KR0-KR3的状态为“1000”,则表明按键 S5 被按下,如图10-2(b)所示。
{{ :图10-2.png |图10-2 键盘扫描过程示意图}}
**图10-2 键盘扫描过程示意图**
#### 2.2 八段数码管显示原理
{{ :图10-3.jpg |图10-3 数码管连接}}
**图10-3 数码管连接**
八段数码管具有两种显示方式:一种是独立显示方式,即每个数码管具有单独的8根数据线和 1 根选通信号线,可以同时控制各个显示器的显示结果。另一种是扫描显示模式,即所有显示器共用八根数据线,各自再有1根选通信号线,采用时分的方式循环选通各个数码管进行显示。
独立显示模式实现简单,但是需要占用大量的信号线,例如8个数码管一共需要9×8=72根信号线,因此实际中一般采用扫描显示模式。
扫描显示模式利用了人眼的视觉暂留的特性,即只要扫描的频率足够高,数码管显示循环周期足够短,则在人眼看来数码管的影像就是连续存在的。对于每个数码管来说,如果让它每隔时间T闪现一次,而每次闪现时间为t(满足t
**图10-4 程序总体架构**
#### 3.2 key_scan模块(key_scan.v)
Key_san是顶层模块,实例化各模块。scan_clk输出的时钟scan_clk送给scan模块,作为控制键盘扫描周期的时钟;scan模块输出的行地址r_reg和列地址c_reg作为data_2_disp模块的输入,经译码输出Hex[1:0]。 disp_scan扫描显示HEX[0:1]的值,分别表示行值和列值。
Key_scan输入输出接口如下:
input clk,reset; //50MHz系统时钟。
input [3:0]kr; //行线输出接口。
output [3:0]kc; //列线输入接口。
output [7:0]HEX_sel; //数码管选择输出,为高表示相应数码管被选中。
output [7:0]HEX_seg; //数码管的显示值,8段数码管由8为控制,为高表示显示
#### 3.3 scan_clk模块(scan_clk.v)
scan_clk模板生成周期为4ms的脉冲信号作为键盘扫描时钟,周期为1us的脉冲信号作为Signaltap逻辑分析仪参考时钟。
scan_clk输入输出接口如下:
input clk,reset; //50MHz时钟和复位。
output scan_clk; //周期是4ms的键盘扫描时钟
output sig_clk; //为signaltap逻辑分析仪时钟
键盘扫锚时钟scan_clk周期为4ms,脉宽为一个时钟周期(图10-5)。
{{ :图10-5.png |图10-5 扫描时钟波形}}
**图10-5 扫描时钟波形**
#### 3.4 scan模块(scan.v)
scan模块扫描键盘,获取按下的键的行值和列值。
Scan模块输入输出接口如下:
input clk,reset; //50MHz时钟和复位。
input [3:0]kr; //行线输出接口
input scan_clk; //周期是4ms的键盘扫描时钟
output [3:0]kc; //列线输出接口
output [3:0]add_r; //有键按下时行线的地址
output [3:0]add_c; //有键按下时列线的地址
output keyout_en //按键值输出使能
kr、kc和scan_clk用于实现对键盘按键的扫描;add_r和add_c输出按键的行值和列值;keyout_en是按键输出使能,当keyout_en为高时,表示add_r和add_c有效,keyout_en宽度为一个时钟周期,如图10-6所示。
{{ :图10-6.png |图10-6 Scan模块行列值输出接口时序}}
**图10-6 Scan模块行列值输出接口时序**
Scan的主状态机如图10 7所示。
{{ :图10-7.png |图10-7 Scan模块的状态机设计}}
**图10-7 Scan模块的状态机设计**
主状态机State有四个状态:Waiting、Anti-jitter、scanning和Ending状态。waiting状态表示无按键被按下,等待按键;anti-jitter状态表示已经检测到按键被按下,但是处于消抖状态;scanning状态指在消抖工作完成后,扫描键盘列线,获取按键值;Ending 状态指在扫描结束后,延时200ms后再进入waiting状态,这样保证每隔200ms扫描一次键盘,防止两次扫描时间过短。
Waiting: // Waiting状态,等待按键按下
begin
add_r <= 4'b1111
add_c <= 4'b1111;
kc <= 4'b1111; //每行列线上都输出高电平
delay <= 1'b0;
keyout_en <= 1'b0;
if(kr > 4'b0000) begin //如果行线中有键按下
state <= anti_jitter; //下个周期进入消抖状态
kr_last <= kr;
keyout_en <= 1'b0;
end else
state <= waiting;
end
anti_jitter: //anti_jitter状态:进入消抖状态。
begin
add_r <= 4'b1111;
add_c <= 4'b1111;
kr_last <= kr;
kc <= 4'b1111;
if(delay == 3'b111) begin
state <= scaning; //如果同一行线的为高电平时间超过八个周期则进入scanning状态
delay <= 1'b0;
kc <= 4'b1000;//从最左边的列线开始扫描
end
else begin
if(kr_last == kr)
delay <= delay + 1'b1; //本次行线电平和上次一样则delay+1
else if(kr == 4'b0000)
state <= waiting;//如果是0,则进入waiting状态
else
delay <= 1'b0; //如果Kr输入不为0,则重新进行消抖过程。
end
end
scaning: //scaning状态,对列线进行扫描
begin
kc <= {kc[0],kc[3:1]}; //从最左边开始扫描列线
hold <= 6'b0;
if(kc == 4'b0001 ) //扫描到最右边的列线
state <= ending;
if((temp_r != 4'b0000)&&(temp_c != 4'b0000)) begin //扫描到键盘
add_r <= temp_r; //行地址赋值
add_c <= temp_c; //列地址赋值
keyout_en <= 1'b1; //键盘扫描输出使能信号
end
else
keyout_en <= 1'b0;
end
ending: ending状态,键盘扫描完成后延时200ms
begin
keyout_en <= 1'b0;
if(hold == 6'b11_0001) //时间间隔为 200ms
begin
state <= waiting;
hold <= 6'b0;
end
else
hold <= hold + 1'b1;
end
当扫描到键盘后需要对键盘行地址和列地址进行译码。以下是行地址译码的程序,列地址译码与此相同。
always @(kr)
begin
case(kr)
4'b1000:temp_r = 4'b0100; //第四条行线地址
4'b0100:temp_r = 4'b0011; //第三条行线地址
4'b0010:temp_r = 4'b0010; //第二条行线 地址
4'b0001:temp_r = 4'b0001; //第一条行线地址
default: temp_r = 4'b0000;
endcase
end
#### 3.5 data_2_disp模块(data_2_disp.v)
由于scan模块输出的按键行值和列值都是4比特二进制数。但八段数码管的输入为八位,其中七位输入用于显示一位阿拉伯数字,每一位控制数码管的一段,另一位用于显示小数点。因此需要将输入的4bits数据译码为8bits二进制数据,控制八段数码管各段的显示。图10-8为八段数码管显示示意图。
{{ :图10-8.png |图10-8 八段数码管示意图}}
**图10-8 八段数码管示意图**
在data_2_disp定义了一个8位寄存器segs[7:0]。寄存器每一位分别对应着数码管的{H,G,F,E,D,C,B,A},如果某一位寄存器输出为低电平时,对应的那一段数码管亮起。\\
data_2_disp的输入输出接口为:
input [3:0] data; //输入位宽为4的二进制数
output [7:0] segs; //译码输出,变为8bit二进制数
程序说明:
always @(data)
begin
case(data)
4'h0: segs = 8'b11000000; //输入为0时,ABCDEF段亮起
4'h1: segs = 8'b11111001; //输入为1时,BC段亮起
4'h2: segs = 8'b10100100; //输入为2时,ABEFG段亮起
4'h3: segs = 8'b10110000; //输入为3时,ABCDG段亮起
4'h4: segs = 8'b10011001; //输入为4时,BCFG段亮起
4'h5: segs = 8'b10010010; //输入为5时,ACDFG段亮起
4'h6: segs = 8'b10000010; //输入为6时,ACDEFG段亮起
4'h7: segs = 8'b11111000; //输入为7时,ABC段亮起
4'h8: segs = 8'b10000000; //输入为8时,ABCDEFG段亮起
4'h9: segs = 8'b10010000; //输入为9时,ABCDFG段亮起
default: segs = 8'b11111111;
endcase
end
#### 3.6 disp_scan模块(disp_scan.v)
disp_scan对两个数码管进行扫描显示。用八位HEX_sel寄存器对两个数码管选通。这里只需要显示两位数码管,所以只用HEX_sel低两位进行选通即可。\\
disp_scan端口说明:
input clk,reset; //时钟和复位信号
input scan_clk; //周期是4ms的键盘扫描时钟
input [7:0] Hex1; //行值
input [7:0] Hex0; //列值
output [7:0] HEX_sel; //数码管选通信号
output [7:0] HEX_seg; //数码管显示数字
always @(posedge clk or negedge reset)
begin
if( !reset )
HEX_sel <= 8'b1111_1101;
else
begin
count <= count+1'b1;
if(count == 18'b1) //每五毫秒循环一次
HEX_sel <= {HEX_sel[7:2],HEX_sel[0],HEX_sel[1]};
end
end
always @(HEX_sel)
begin
case(HEX_sel)
8'b1111_1101: HEX_seg = Hex0; //当HEX_sel[1]为低时,显示行地址;
8'b1111_1110: HEX_seg = Hex1; //当HEX_sel[0]为低时,显示列地址;
default: HEX_seg = 8'b1111_1111;
endcase
end
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### 4. 仿真结果
{{ :图10-9.png |图10-9 仿真结果}}
**图10-9 仿真结果**
本实验的 Testbench为test_key.v,主要用于对scan模块进行仿真。test_key.v的时钟与系统时钟一样为50MHz,由延时语句输入一系列kr的值,调用scan.v扫描程序观察相应的kc输出时各变量的状态。
图10-9是键盘扫描的仿真波形,整个扫描过程由状态机来控制,系统复位的状态是wating=4’h1,在waiting状态下输出为4’b1111。如果检测到输入不全为低电平则转到去抖动状态anti_jitter=4’h2。此时继续检测输入端口,如果连续8次(delay的值)检测输入值都相同,则说明有键按下,进入下一个状态scaning=4’h4, 否则认为是毛刺。在scaning状态下kc依次输出4’b1000、4’b0100、4’b0010、4’b0001,然后根据输入kr的值来确定具体是哪一个键按下。在图中可以看到当add_r=4’h4 ,add_c=4’h2时,此时kr=4’h8,kc=4’h1确定第4行第1列的键——S18按下。扫描结束后进入ending=4’h8状态,经过4ms*8=32ms之后,又进入下一轮扫描过程。
在anti_jitter状态下修改参数delay的变化情况可以控制去抖动的时间;在ending状态下修改delay的变化范围可以改变连续两次扫描之间的时间间隔,这些值可以根据实际情况进行调整。
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### 5. 运行结果
在signaltap里选择要观察的信号,如图10-10。其中将Keyout_en设置为上边沿触发,这样当键盘扫描减速,keyout_en拉高后,signaltap会暂停。在设定好观察的信号后,对程序进行编译。将程序下载到开发系统上,选择signaltap的Autorun Analysis。然后按下任意一个按键,如按下行地址为2,列地址为4的键。则会看到如下结果,add_c和add_r分别键盘显示列地址和行地址,在数码管上可以看到行值和列值的显示。
{{ :图10-10.png |图10-10 程序运行结果}}
**图10-10 程序运行结果**
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### 6. 演示程序文件说明
|文件名|功能|
|Keyscan.v|顶层模块。|
|scan_clk.v|产生扫描和逻辑分析仪所要求的时钟。|
|data_2_display.v|按键值译码。|
|scan.v|扫描键盘。|
|disp_scan.v|显示按键值。|
|Test_key.v|用于Modelsim仿真的测试程序,对scan.v进行仿真。|
### 7. 演示程序使用
演示设备:核心板、扩展板。
演示方法:把程序下载到开发板上之后,按下键盘区任意一个键,可以观察到数码管L7和L8分别显示当前所按键的行值和列值。