基于FPGA的可鍵盤控制計數(shù)電路的設計與實現(xiàn)

摘要：介紹一種基于FPGA(Field Programmable Gate Array)現(xiàn)場可編程門陣列的可鍵盤控制的計數(shù)，顯示電路的實現(xiàn)方法。應用VHDL語言(高速集成電路硬件描述語言)完成了3x4矩陣開關的掃描電路，可預置數(shù)的BCD碼計數(shù)電路及4位數(shù)碼管動態(tài)掃描電路的描述。通過原理圖輸入方式完成了系統(tǒng)功能的設計。電路結(jié)構(gòu)簡單，便于擴展，可靠性高，且可移植性強，容易實現(xiàn)。該電路已成功應用于測試某脈沖電容質(zhì)量試驗的控制電路中。
關鍵詞：FPGA；鍵盤掃描；計數(shù)；動態(tài)顯示

    FPGA做為現(xiàn)代電子設計技術的核心器件，成為目前硬件設計研究的重點。在工業(yè)控制中，計數(shù)顯示基本電路在儀器儀表中得到了廣泛應用，而如何根據(jù)需要靈活的設置計數(shù)范圍，是一個較為復雜的問題。本文應用EDA技術通過對鍵盤的控制，實現(xiàn)了從0～9999范圍內(nèi)預置數(shù)可變的計數(shù)顯示電路設計。與傳統(tǒng)的應用單片機控制鍵盤掃描的設計方法相比，具有集成度高，穩(wěn)定度高，抗噪聲能力強，容錯率低等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)設計原理及電路圖
    圖1為基于FPGA的預置數(shù)可控計數(shù)顯示頂層設計電路原理圖，共由3部分組成：鍵盤掃描控制電路key_board；BCD碼計數(shù)電路CNT；4位數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示電路scan_LED。首先，由鍵盤掃描電路完成對鍵盤的掃描和鍵值的譯碼，當計數(shù)電路置數(shù)端LOAD為上升沿時，將鍵盤掃描電路讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)P3-P0并行置入到計數(shù)器中做為其計數(shù)范圍，計數(shù)器的輸出通過動態(tài)掃描譯碼模塊驅(qū)動4位數(shù)碼管顯示。

2 VHDL語言的實現(xiàn)
    該設計采用層次化設計方法，首先采用VHDL語言完成了對各子模塊電路的描述，然后分別將其生成符號元件，通過原理圖編輯完成了系統(tǒng)的設計。
2．1 鍵盤掃描電路
2．1．1 行列式鍵盤工作原理
    圖2為3x4行列式鍵盤原理圖，行線是KEY_HANG[2..0]，列線是KEY_LIE[3．．0]，形成12個交叉點，每個交叉點連接一個按鍵。12個按鍵分別對應數(shù)字0～9和清零鍵A，確定鍵B。當沒有按鍵按下時，所有交叉點斷開，由于列線的上拉電阻作用，使其保持高電平。如果行線KEY_HANG[2．．0]被設置為低電平，當有按鍵按下時，該鍵所在的行線和列線被按鍵短路，那么相應得列線就變?yōu)榈碗娖健?/p>

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2．1．2 鍵盤掃描電路工作原理
    圖3為鍵盤掃描原理圖。CLK_40K為鍵盤掃描工作時鐘，連續(xù)讀取數(shù)據(jù)輸入端KEY_LIE[3..0]的信息；CLK_2K為鍵值控制工作時鐘信號，無鍵按下時控制電路循環(huán)掃描輸出；P3，P2，P1，P0為鍵盤譯碼輸出BCD碼形式；START端為數(shù)據(jù)輸出標志信號，當P3-P0輸出時，START端輸出一個脈沖。工作時，由行信號輸出端KEY_HANG[2．．0]循環(huán)輸出“110”，“101”，“011”。當沒有按鍵按下時，掃描電路列信號輸入端檢測到“1111”。當有按鍵按下時，例如按下1鍵，此時行信號KEY_HANG[2..0]輸出“011”，由圖2可知。列信號輸入端將檢測到“0111”，在掃描譯碼時，可根據(jù)行信號輸出和列信號輸入數(shù)據(jù)同時判斷“0110111”對應數(shù)據(jù)為1。

2．1．3 鍵盤掃描電路VEIDL實現(xiàn)
    鍵盤掃描電路主要有判斷按鍵有無按下，鍵值識別和去抖動處理等功能。其中去抖處理主要為了避免外界振動引起按鍵誤動，以及保證按鍵每穩(wěn)定閉合一次，系統(tǒng)僅對其響應一次。采用不同的鍵盤其機械抖動時間各異，本文設置去抖時間為20 ms。圖4為鍵盤掃描電路VHDL描述流程圖。以下是去抖動程序關鍵代碼：
   
   

2．2 可預置數(shù)BCD碼計數(shù)電路
    圖5為可預置數(shù)BCD碼計數(shù)電路。置數(shù)端LOAD為高電平時，將通過鍵盤設置的數(shù)并行置入到D3～D0。然后對輸入的脈沖直接進行BCD碼減法計數(shù)，由Q3～Q0輸出。計數(shù)結(jié)束，ENDCNT端輸出一個脈沖。

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    部分源程序如下所示：
   

2．3 4位數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示電路
    段式LED顯示器的控制方式分為靜態(tài)顯示控制和動態(tài)顯示控制兩種。本電路設計采用動態(tài)掃描方式，具有占用資源少，電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。電路如圖6所示。外接4位共陰數(shù)碼管，其中每個數(shù)碼管的7段a、b、c、d、e、f、g都分別連在一起，4位數(shù)碼管分別由BT[3..0] 4位選通信號來選擇。被選通的數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，其余關閉，與此同時，在段信號輸入端口加上希望在該對應數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)。隨著選通信號的循環(huán)掃描，段碼的分別輸出，利用數(shù)碼管的余暉效應，即可顯示4位數(shù)據(jù)。

3 仿真結(jié)果
    將設計好的電路經(jīng)過編譯、引腳配置、下載到FPGA芯片EP1C12Q240。采用QUATUSⅡ6．0軟件自帶的嵌入式邏輯分析儀對目標芯片內(nèi)部信號各節(jié)點進行觀察分析，如圖7所示。實驗中已將預置數(shù)1234置入計數(shù)器中，通過圖7可以看到此時位選信號選通第2位數(shù)碼管，顯示數(shù)據(jù)3。

4 結(jié)束語
    完成了基于FPGA，應用VHDL文本輸入和原理圖混合輸入法，實現(xiàn)預置數(shù)靈活設置的計數(shù)顯示電路。該電路設計解決了可預置數(shù)計數(shù)器從外部設備置數(shù)難的問題，以及在電路內(nèi)部直接實現(xiàn)BCD碼計數(shù)，方便，可靠，電路簡單，尤其該系統(tǒng)在較惡劣環(huán)境情況下依然可以穩(wěn)定工作。