基于FPGA的4x4矩阵键盘驱动设计

CHANBAEK 2023-07-23 4065

描述

本次设计采用FPGA驱动4x4矩阵键盘，这个原理其实很简单，但是我在做的时候曾经理解错了一个地方，导致走了一天的弯路，因为感觉比较有意思，所以想在这分享一下。

014x4矩阵键盘驱动原理

首先看一下矩阵键盘的原理图，矩阵键盘的原理与独立按键类似，可以将单独的一行或一列当做一个独立按键使用。图中的row_one ~ row_four表示矩阵键盘的四行，col_one~col_four表示矩阵键盘的四列。

原理图

矩阵键盘的扫描识别可以通过行列扫描来完成，首先我们先将4行的I/O口（row_one、row_two、row_three、row_four）全部输出高电平，4列的I/O口（col_one、col_two、col_three、col_four）全部输出低电平，若是这4行按键里有按键按下，那么按键按下的那一行对应的I/O口电平就会被拉低，这样我们就能确定按下按键的行坐标。接下来便需要确定列坐标，获取列坐标的方法与行坐标的方法类似，就是先让4行的I/O口全部输出低电平，4列的I/O口全部输出高电平，这样按键按下的那一列I/O口的电平就会被拉低，这样我们便确定了对应的列坐标，如此便能获取到对应按下按键的行列坐标。

02设计思路

这里需要讨论的便是如何实现4×4矩阵键盘的程序，其逻辑流程图如下图所示。首先需要定义8个输出端口，分别表示四行四列，然后先让四行的I/O输出高电平，四列的I/O输出低电平，这是初始状态。然后便是编写消抖程序，当有按键按下时，首先便是进行消抖，利用状态机编写消抖程序，识别判断当前状态是否为抖动。确定为按键按下后便开始判断4行中哪一行的电平被拉低，这样便能确定是哪一行的按键被按下，这里需要定义一个表示行的标志位，用来标志是哪一行按键按下。随后便将四行的I/O输出低电平，四列的I/O输出高电平，然后便开始逐列判断哪一列的电平被拉低，如此便能判断按下按键的列坐标。此处也需要定义一个表示列的标志位。最后便是综合判断，通过行的标志位和列的标志位来判断按下按键的行列坐标，如此便确定具体按下的按键。

原理图

接下来看程序（此处分享的程序为没有带按键消抖的，只是按照矩阵键盘的扫描识别思路大致写了一下），首先是端口的定义，定义四行四列，但是有一点，原理上讲解的是输出电平，在这里这四个端口先定义为输入状态，因为这不是顶层文件，在顶层文件中再定义为输出。然后定义的key_lock为输出控制端，我这里是利用矩阵键盘设置的密码锁，每一个矩阵按键对应一个键值，当按下四个按键对应密码正确时，key_lock输出高电平。key_row_flag为行标志位，当检测到第一行的按键被按下时标志位置1，当第一行的按键被按下时标志位置2，同理，第三行置3第四行便置4。key_col_flag为列标志位，原理与行标志位一样。然后row_flag与col_flag为行扫描标志位与列扫描标志位，当row_flag为1时进行行扫描，当col_flag为1时进行列扫描。key_output为输出按下对应按键的键值。key_row_col为当前扫描状态，为1时表示行扫描结束，为2时表示列扫描结束，标志列扫描结束后便开始获取按键的键值。

原理图

接下来便开始看行扫描，行扫描和列扫描初始状态为row_flag为1、col_flag为0。然后开始捕捉四行的引脚哪一行的引脚出现下降沿置0，若有一行的引脚被拉低置0时，行标志位立刻记下是第几行被拉低，然后行列状态标志位便置1，行扫描标志位row_flag清零，列扫描标志位置1，开始进入列扫描。

原理图

然后就是列扫描，在列扫描中与行扫描原理一样，检测每一列引脚的电平，若其中一列的电平被拉低，则列标志位立刻记录被拉低的列数为第几列，然后恢复行扫描标志位准备进入下一轮扫描，同时将列扫描标志位清零，行列状态标志位置2，准备进入判断按下按键键值模式。

原理图

接下来便是开始判断按下按键的键值，因为我这里只需要0~9这十个数字，而矩阵键盘有16个按键，所以写的稍微简单一点。从第一行第一列开始为1，第一行第二列为2，后面的依次类推。将第四列和第四行的键值全部设置的为0。这里进入判断键值的条件为行列标志位key_row_col置2，也就是必须在列扫描完成之后才能进入判断。

原理图

这里在键值判断完成之后便是将当前获取的键值存储起来。这里因为行列标志位key_row_col比按键输出键值key_output差了一个时钟周期，所以赋值错误，然后我便重新定义了一个寄存器key_row_col_r用来过渡一下。下面定义的one起初是为了在key_row_col为2时不重复赋值才写的，是为了避免赋值后面输出的按键键值，也就是20ns的周期中只进去赋值一次，但是后面发现了时序相差一个时钟周期便在else中加入了那段，还未解决便定义了寄存器key_row_col_r，这才得以解决。

原理图