基于FPGA的鍵盤掃描模塊的設計與實現(xiàn)

　　在電子產(chǎn)品中，鍵盤是最基本的輸入設備，然而在應用中都采用通用的鍵盤掃描器件是不現(xiàn)實的，需要單獨設計成專用的小鍵盤?，F(xiàn)代EDA(電子設計自動化)技術(shù)提供了一種很好的途徑,利用VHDL硬件描述語言和FPGA器件可以很方便地構(gòu)建鍵盤掃描模塊。經(jīng)過實際操作檢驗,該模塊可以很好地對每一次按鍵動作進行掃描和響應，實現(xiàn)預先設計的功能。

　　1 概述

　　1.1 通用鍵盤和專用鍵盤

　　在現(xiàn)代個人計算機系統(tǒng)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(xiàn)人與計算機之間的接口交互,所需要的各種數(shù)據(jù)和指令等信息都通過鍵盤來輸入計算機。

　　但是，在各種嵌入式系統(tǒng)(如手機、微波爐、電風扇等)中，所需要的鍵盤按鍵個數(shù)非常有限,通常為幾個到十幾個不等(而標準鍵盤通常為一百多個按鍵)，并且每個按鍵所代表的功能含義也各不相同。所以，針對每一種嵌入式系統(tǒng)都應對鍵盤(包括鍵盤掃描模塊和相關(guān)控制信號等)進行專門設計,結(jié)合工程實際情況充分利用該系統(tǒng)已有的各種資源，使所設計的鍵盤恰如其分地融合到嵌入式系統(tǒng)中，成為其不可分割的一部分。

　　1.2 編碼鍵盤和掃描鍵盤

　　在數(shù)字電路中，可以利用編碼器實現(xiàn)按鍵鍵值的直接編碼。將每個按鍵的輸出信號對應連接到編碼器的每個輸入端，通過編碼邏輯就可以在編碼器的輸出端得到對應每個按鍵的碼值，早期稱這種鍵盤為編碼鍵盤。但是，當按鍵較多時數(shù)碼邏輯的成本較高，直接編碼的方法也不夠靈括，一旦編碼邏輯固定就難以更改。

　　在通用鍵盤上或當按鍵數(shù)量較多時，普遍采用掃描方式產(chǎn)生鍵值。將按鍵連接成矩陣，每個按鍵位于某行、某列的交點上，如圖1所示，先通過掃描方式確定按下鍵的行和列位，即位置碼或掃描碼。再查表將位置碼轉(zhuǎn)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。

　　1.3 硬件掃描鍵盤與軟件掃描鍵盤

　　如果執(zhí)行掃描的過程由硬件邏輯實現(xiàn)，則這種鍵盤稱為硬件掃描鍵盤或電子掃描式編碼鍵盤。在執(zhí)行鍵盤掃描時應注意將鍵在閉合過程中往往會有一些難以避免的機械性抖動，使輸出信號也發(fā)生抖動，通常達10 ms～20 ms寬。若不避開抖動區(qū)，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(shù)十毫秒后才讀取鍵值，這種電路稱為去抖電路。還應注意當前一個鍵值還未送出又有按鍵按下時，后邊的鍵值將覆蓋前邊的鍵值，從而造成丟失。通?？梢栽O置一個控制信號，使前一鍵值送出后才允許產(chǎn)生后一鍵值，或者設置一組寄存器保存前邊若干個鍵值，等待系統(tǒng)逐個按序處理。

　　硬件掃描鍵盤的優(yōu)點是不需要主機擔負掃描任務，僅當產(chǎn)生鍵值后才向主機發(fā)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。這種方式大大減輕了CPU的運行負荷，使其有更多的時間段去運行其他應用程序。

　　當然也可以執(zhí)行鍵盤掃描程序，由CPU通過軟件方法對鍵盤進行掃描，鍵盤掃描程序的流程如圖2所示。這種鍵盤被稱為軟件掃描鍵盤。按鍵時，鍵盤向主機提出中斷請求，由軟件掃描鍵盤獲得按鍵鍵值，或者由CPU定期執(zhí)行鍵盤掃描程序，從而獲得按鍵鍵值，這種掃描方法被稱為逐行掃描法，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按鍵所在的行值，由行、列值轉(zhuǎn)換到按鍵鍵值。當然，可以在執(zhí)行鍵盤掃描的過程中加入一定的延時，以去除抖動所帶來的影響。

　　如果系統(tǒng)對CPU的運行速度要求較高，并且CPU的負荷較重，系統(tǒng)資源比較緊張，則可以在鍵盤中設置一個單片機，由單片機執(zhí)行鍵盤掃描程序，然后向CPU申請中斷并送出掃描碼或者鍵值?，F(xiàn)代計算機的通用鍵盤大多采用這樣的鍵盤掃描方法。

　　2 基于FPGA的實現(xiàn)方法

　　2.1 實現(xiàn)方法分析

　　根據(jù)項目的實際需要，擬實現(xiàn)的鍵盤掃描模塊應具有如下特點：

　　該模塊實時地將掃描所得的鍵值信息寫入存儲器指定地址，鍵值信息包括同一按鍵的重復次數(shù)和鍵值，系統(tǒng)軟件定時從該地址讀取鍵值信息以執(zhí)行相應的操作。

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

　　由于該項目不需要ASCⅡ字符編碼按鍵，故將按鍵值設計為1~20直接送出。

　　為了能表示長時間按鍵的操作，當確定某一按鍵按下時，以后每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(shù)加一，同時將重復次數(shù)和鍵值組合成鍵值信息送出;延遲一定時間后再次掃描。

　　2.2 FPGA具體實現(xiàn)

　　該設計采用4個模塊來實現(xiàn)鍵盤掃描功能，分別為即時掃描模塊、掃描控制模塊、掃描脈沖模塊和鍵值傳送模塊，如圖3所示。

　　2.2.1 即時掃描模塊

　　該模塊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(nèi)部將產(chǎn)生一組相應的KB_OUT信號輸出到鍵盤矩陣，然后對KB_IN輸入信號進行檢測，以判斷有無鍵被按下及哪個鍵被按下，并送出相應的即時鍵值VALUE。

　　2.2.2 掃描控制模塊

　　該模塊的功能是控制是否允許進行掃描及完成鍵盤去抖動等。在無鍵按下時.CTRL置高電平允許掃描;當連續(xù)幾次掃描到同一個按鍵時，則認為此鍵被按下(已經(jīng)完成去抖動操作)。然后CTRL置低電平，禁止掃描并同時開始延時，當CNT達到某一數(shù)值時，重新進行掃描并再次延時，同時將按鍵重復次數(shù)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。

　　2.2.3 掃描脈沖模塊

　　該模塊的主要功能為產(chǎn)生掃描指示窄脈沖和掃描延時計數(shù)。當CTRL為高電平時，在每個CLK為50Hz的上升沿送出一個SCAN窄脈沖;當CTRL為低電平時，延時計數(shù)器開始計數(shù)，達到某一特定值時才送出一次掃描脈沖信號SCAN。

　　2.2.4 鍵值傳送模塊

　　該模塊負責把鍵值信息寫入存儲器，供應用軟件定時查詢。當輸入端KEYVALUES的值發(fā)生改變時，才會發(fā)起一次存儲器寫操作。

　　3 結(jié)束語

　　此模塊用VHDL硬件描述語言來實現(xiàn)，經(jīng)過功能、時序仿真后利用QUARTUS Ⅱ軟件進行編譯并下載到Altera的CYCLONE 1C20開發(fā)板上。經(jīng)過對鍵盤的實際操作檢驗，證明此模塊可以正常實現(xiàn)鍵盤掃描和去抖動等功能，能正確地識別每一個按鍵的動作。同時，若對該模塊稍加修改同樣可以移植到其他的系統(tǒng)中，這樣可以大大減輕CPU的運行負荷，這對大多數(shù)對系統(tǒng)資源比較敏感的嵌入式系統(tǒng)來說具有很強的現(xiàn)實意義。