基于FPGA的鍵盤掃描模塊的設計

引言

在現代的個人計算機系統中，一般都采用通用的標準鍵盤(如:標準101/102鍵盤或Microsoft自然PS/2鍵盤)來實現人與計算機之間的接口交互，從而將需要的各種數據和指令等信息都通過鍵盤來輸人計算機川。

但是，各種嵌人式系統(如:手機、微波爐、電風扇等)所需的鍵盤的按鍵個數非常有限，通常為幾個到十幾個不等‘而標準鍵盤通常為二百多個按鍵)，并且每個按鍵所代表的功能含義也各不相同。所以，每一種嵌人式系統都應對鍵盤(包括鍵盤掃描模塊和相關控制信號等)進行專門設計，以便結合工程實際情況充分利用該系統已有的各種資源，使所設計的鍵盤很好地融合到嵌人式系統中。

鍵盤掃描的基本知識

1.編碼鍵盤和掃描鍵盤

在數字電路中，可以利用編碼器實現按鍵鍵值的直接編碼，以將每個按鍵的輸出信號對應連接到編碼器的每一個輸人端。這樣，通過編碼邏輯就可以在編碼器的輸出端得到對應于每個按鍵的碼值，早期稱這種鍵盤為編碼鍵盤。但是當按鍵較多時，數碼邏輯的成本就較高，并且直接編碼的方法也不夠靈活，而且一旦編碼邏輯固定就難于更改。

當通用鍵盤上或按鍵數量較多時，普遍采用掃描方式產生鍵值。因此，可將按鍵連接成矩陣，每個按鍵位于某行、某列的交點上位口圖1所示)，先通過掃描方式確定按下鍵的行列位置，稱為位置碼或掃描碼。再查表將位置碼轉換為按鍵碼值或者直接使用掃描碼，有些參考書稱此為“非編碼鍵盤”。但這種名稱容易讓人誤解為沒有對應的鍵值，因此又稱為掃描式鍵盤。

圖1行列式掃描健盤示意圖

2.硬件掃描鍵盤與軟件掃描鍵盤

如果執行掃描的過程由硬件邏輯實現，則將這種鍵盤稱為硬件掃描鍵盤或電子掃描式編碼鍵盤。在執行鍵盤掃描時應注意一個問題，即鍵在閉合過程中往往存在一些難以避免的機械性抖動，使輸出信號也發生抖動，通常達10一20毫秒寬。若不避開抖動區，則可能誤認為多次按鍵。因此應該設置硬件延時電路，延遲數十毫秒后再讀取鍵值，這種電路稱為去抖電路〕還應注意一個問題，即當前一個鍵值還未送出，而又有按鍵按下時，后邊的鍵值將覆蓋前邊的鍵值，造成鍵值丟失問題。通常可以設置一控制信號.僅當前一鍵值送出后才允許產生后一鍵值，或者設置一組寄存器來保存前邊若十個鍵值，等待系統逐個按順序處理。

硬件掃描鍵盤的優點是不需要主機擔負掃描任務，儀當產生鍵值后才向主機發出中斷請求，CPU以相應中斷方式接收按鍵鍵值，或者CPU定時從某個地址獲取按鍵鍵值。該方式大大減輕了CPU的運行負荷，使其能以更多的時間去運行其它程序。

當然也可以執行鍵盤掃描程序，由CPU通過軟件方法對鍵盤進行掃描。圖2便是一種鍵盤掃描程序的流程圖，這種鍵盤稱為軟件掃描鍵盤。按鍵時，鍵盤向主機提出中斷請求。由軟件掃描鍵盤來獲得按鍵鍵值；或者由CPU定期執行鍵盤掃描程序，從而獲得按鍵鍵值。即在掃描方法稱為逐行掃描法，當有鍵按下時，首先獲得此鍵的列值，然后逐行掃描就可以判斷出按鍵所在的行值。這樣，由行列值就可以通過轉換得到按鍵鍵值。當然，要在執行鍵盤掃描過程中加人一定的延時，以去除抖動影響。

圈2一種盤婦描租序流程圈

如果系統對CPU的運行速度要求較高，并且CPU的負荷較重、系統資源比較緊張，則可以在鍵盤中設置一個單片機，由它負責執行鍵盤掃描程序，然后向CPU申請中斷并送出掃描碼或者按鍵鍵值。現代計算機的通用鍵盤.大多采用這樣的鍵盤掃描方法。

基于FPGA的設計方法

1. 實現方法分析

根據項目的實際需要.擬實現的鍵盤掃描模塊應具有如下特點:

I)該模塊應能實時地將掃描所得的鍵值信息寫人存儲器指定地址，其中鍵值信息包括同一按鍵的重復次數和鍵值，系統軟件則應能定時從該地址讀取鍵值信息以執行相應的操作

2)鍵盤去抖動所采用的方法是多次掃描法，當連續幾次掃描到同一鍵值時就認為此鍵被按下了，這樣就完成了去抖動操作。

3)由于本項目不需要AS(:I I字符編碼按鍵，故應將按鍵值設計為1一20直接送出。

4)為了能表示長時間按鍵的操作，當確定某一按鍵按下時.以后梅隔一定時間才掃描一次，若獲得同一鍵值，則將按鍵重復次數加一同時將重復次數和鍵值組合成鍵值信急送出;并在延遲一定時間后再次掃描……

2.基于FPGA的具體實現

本文擬采用四個模塊來實現鍵盤掃描功能，分別是即時掃描模塊、掃描控制模塊、掃描脈沖模塊和鍵值傳送模塊。圖3是其模塊工作流程。

圈3實現健盤掃描的模塊結構

(1)即時掃描模塊

輸人信號:

CLKSMHZ：時鐘信號，用于產生時序；

KB_IN[3:0]：由鍵盤矩陣送來的檢測信號;

SCAN：掃描指示信號，每一個正脈沖到來時執行一次鍵盤掃描

輸出信號：

KB一 OU T[4:O]：輸出到鍵盤的控制信號，以便從鍵盤矩陣取得相應的信

號并進行檢測;

VALUE[7:0]：掃描所得的即時鍵值輸出到掃描控制模塊，以便進行抖動。

模塊功能描述:

本模塊用于完成鍵盤即時掃描功能當檢測到SCAN信號有一個窄脈沖到來時，模塊內部將產生一組相應的KB_ OUT信號并輸出到鍵盤矩陣，然后再對KB_ IN輸人信號進行檢測，以判斷有無鍵被按下以及哪個鍵被按下，同時送出相應的即時鍵值VALUE。

(2)掃描控制模塊

輸人信號:

CLKSOHZ：時鐘信一號，用于產生時序;

V ALUE[7:0]：由即時掃描模塊送來的即時鍵值;

CNT[4:0]：來自掃描脈沖模塊的計數器值，用于對掃描進行延時。

輸出信號：

KEYVALUES[15:0]：此值為去抖動后的鍵值與按鍵重復次數組合而成的數據;

CTRL:掃描使能信號.高電平為使能，低電平為禁止。

模塊功能描述:

本模塊用于控制是否允許進行掃描以及完成鍵盤去抖動等。在無鍵按下時，CTRL置高電平以允許掃描;當連續幾次掃描到同一個按鍵時，則認為此鍵被按下了(已經完成了去抖動操作)。然后CTRL置低電平以禁止掃描同時開始延時，當CNT達到某一數值時，重新進行掃描并再次延時。

同時將按鍵重復次數和鍵值VALUE組合成KEYVALUES并輸出。以此類推，直到無鍵按下或檢測到其他的鍵值。

(3)掃描脈沖模塊

輸人信號:

CLK50HZ:時鐘信號，用于產生時序;

CLKSMHZ:時鐘信號，用于產生時序;

CTRL:掃描使能信號，高電平為使能，低電平為禁止。

輸出信號:

SCAN:掃描指示信號，每輸出一個正脈沖執行一次鍵盤掃描;

CNT[4:O]：掃描延時計數器，用于對掃描進行延時。

模塊功能描述：

本模塊的主要功能是產生掃描指示窄脈沖和掃描延時計數。當CTRL為高電平時，在每個CLK50HZ的上升沿送出一個SCAN窄脈沖;當CTRL為低電平時，延時計數器開始計數，當達到某一特定值時，則送出一次掃描脈沖信號SCANo

(4)健值傳送模塊

輸人信號:

SYSCLK:系統時鐘信號，用于產生時序;

KEYVALUES[15:0]:此值為去抖動后的鍵值與按鍵重復次數組合而成的數據。

輸出信號:

WRITE_ N:存貯器的寫使能信號，低電平有效;

ADDRESS[31:0存貯器的鍵值信息寫人地址，為恒定值;

KEYVALUE[ 15:0]:要寫人存貯器的鍵值信息，其中包括按鍵重復次數和鍵值。

模塊功能描述:

本模塊負責把鍵值信息寫入存貯器，供應用軟件定時查詢。當且僅當輸人端KEYVALUES的值發生改變時.才會發起一次存貯器寫操作。

結束語

將此模塊用VHDL硬件描述語言予以實現，然后經過功能仿真.再利用QUARTUS II軟件進行編譯并下載到ALTERA的CYCLONE 1C20開發板上后.經過對鍵盤的實際操作檢驗證明，此模塊可以正常地實現鍵盤掃描、去抖動等功能。同時，若對該模塊稍加修改，同樣可以移植到其他嵌人式系統中，這樣可以大大減輕CPU的運行負荷，因此，本設計對大多數對系統資源比較敏感的嵌人式系統來說，具有很強的現實意義。