基于STEP FPGA的矩阵按键驱动

本节将和大家一起使用FPGA驱动底板上的4×4矩阵键盘。

硬件说明

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：

上图为4×4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：

  1. 4根行线是输入的，是由FPGA控制拉高或拉低，
  2. 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，

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。


Verilog代码

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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// --------------------------------------------------------------------
// Module: Array_KeyBoard
// 
// Author: Step
// 
// Description: Array_KeyBoard
// 
// Web: www.stepfapga.com
//
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History :
// --------------------------------------------------------------------
// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.0     |2015/11/11   |Initial ver
// --------------------------------------------------------------------
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;
 
	//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
 
	reg		[1:0]		c_state;
	//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
	always@(posedge clk_200hz or negedge rst_n_in) begin
		if(!rst_n_in) begin
			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


小结

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。
如果你对Diamond软件的使用不了解，请参考这里：Diamond的使用。

相关资料


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
使用STEP-MAX10的矩阵按键程序: 后续会有下载连接 待更新