基于FPGA技術(shù)的多按鍵狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　按鍵作為普通的輸入外設(shè)，在儀器儀表工業(yè)設(shè)備和家用電器中得到廣泛應(yīng)用。目前，按鍵輸入電路Ⅲ主要有2種：一種是非掃描方式可以判斷多鍵狀態(tài)(允許多鍵同時(shí)動(dòng)作)，但是不適用于大量按鍵情況，所需I/0端口多；另一種是掃描陣列方式，適用于大量按鍵，但不能多鍵同時(shí)動(dòng)作。因此，需要開發(fā)一種既適合大量按鍵又適合多鍵同時(shí)動(dòng)作，并能節(jié)省單片機(jī)(MCU)的口線資源的多按鍵狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)。這里提出一種利用FPGA的I/0端口數(shù)多和可編程的特點(diǎn)，采用VHDL語言的多按鍵狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)識(shí)別60個(gè)按鍵自由操作，并簡化MCU的控制信號。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　FPGA是一種可編程邏輯器件，它具有良好性能、極高的密度和極大的靈活性，外圍電路簡單可靠等特性。因此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是由MCU、FPGA、按鍵等部分組成。60路按鍵信號進(jìn)入FPGA單元，以供數(shù)據(jù)采集；FPGA處理采集到的數(shù)據(jù)信號，編碼后寫入內(nèi)部FIFO。MCU通過I／O端口提取FIFO中的數(shù)據(jù)。模塊通過電源接口向各個(gè)部分供電。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖l所示。

　　2．1 FPGA配置電路

　　FPGA采用Altera公司EPF10K30ATC144，該器件內(nèi)核采用3.3 V供電，端口電壓為3．3V可承受5 V輸入高電平，其工作頻率高達(dá)100 MHz；有102個(gè)可用I／0端口，每個(gè)端口輸入電流最高達(dá)25 mA，輸出電流達(dá)25 mA；l728個(gè)邏輯單元(Les)，12 288 bit的用戶Flash存儲(chǔ)器，可滿足用戶小容量信息存儲(chǔ)，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

　　由于FPGA基于RAM工藝技術(shù)，該器件丁作前需要從外部加載配置數(shù)據(jù)，需要一個(gè)外置存儲(chǔ)器保存信息，采用可編程的串行配置器件EPC2．其供電電壓為3．3 V。OE和nCS引腳具有內(nèi)部用戶可配置上拉電阻。FPGA的DCLK、DATA0、nCONFIG引腳信號均來自EPC2。系統(tǒng)上電后，首先FPGA初始化，nSTATUS、CONF_DONE置為低電平。nSTATUS置為低電平后復(fù)位，此時(shí)EPC2的nCE為低電平，因此選取EPC2，從而數(shù)據(jù)流從DATA引腳輸入到FPGA的DATAO引腳。配置完成后，F(xiàn)PGA將CONF_DONE置為高電平，而EPC2將DATA引腳置為高阻態(tài)。其FPGA配置電路如圖2所示。

　　2．2 按鍵電路

　　圖3為一路按鍵電路，共60個(gè)按鍵(i=1～60)。由于外界環(huán)境復(fù)雜，按鍵引線長達(dá)6 m，保護(hù)二極管VDi：在外界干擾信號大于VCC時(shí)導(dǎo)通起到保護(hù)FPGA的作用。電阻Ri上拉限流，按鍵未閉合狀態(tài)下FPGA輸入引腳始終處于高電平。

　　3 FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)

FPGA內(nèi)部功能分為掃描模塊、編碼模塊、控制模塊以及同步FIFO RAM模塊，如圖4所示。

　　圖4中，K1~K60為60個(gè)按鍵的輸入端，Scan為工作模式選擇信號，Ready為讀準(zhǔn)備好信號，RdClk為讀時(shí)鐘信號，Data[7：0]為數(shù)據(jù)輸出，ModCtr為編碼模式控制信號，F(xiàn)IFOWEn為FIFO RAM寫使能信號，F(xiàn)IFOIn為FIFO RAM數(shù)據(jù)輸入，State為按鍵狀態(tài)掃描信號。其工作原理為：掃描模塊周期掃描按鍵狀態(tài)，其結(jié)果送入編碼模塊；編碼模塊根據(jù)模式控制信號ModCtr選擇編碼方式編碼，將其結(jié)果送入FIFO RAM；控制模塊產(chǎn)生對FIFO RAM的讀取控制信號；MCU可通過Readv、RdClk控制信號讀取Data[7：0]數(shù)據(jù)線上的按鍵編號和狀態(tài)數(shù)據(jù)。

　　3．1 掃描模塊

　　掃描模塊主要完成掃描按鍵狀態(tài)輸入和按鍵的軟件去抖動(dòng)。掃描按鍵狀態(tài)輸入是以5 m8為周期掃描60個(gè)輸入引腳，將其結(jié)果存入60個(gè)兩位狀態(tài)移位寄存器。其代碼為：

　　按鍵去抖有硬件和軟件2種實(shí)現(xiàn)方式。為了節(jié)省成本，充分發(fā)揮FPGA器件的功能，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用軟件去抖。圖5為軟件去抖動(dòng)流程。圖中State為2位狀態(tài)移位寄存器，初始值為0，TimeDelay為延時(shí)計(jì)數(shù)器。