基于FPGA的鍵盤掃描模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；鍵盤掃描；抖動(dòng)；FPGA;EDA
1 概述
1.1 通用鍵盤和專用鍵盤
在現(xiàn)代個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，一般都采用通用的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(如：標(biāo)準(zhǔn)101/102鍵盤或Microsoft自然PS/2鍵盤)來(lái)實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)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(guò)鍵盤來(lái)輸入計(jì)算機(jī)。
但是，在各種嵌入式系統(tǒng)(如手機(jī)、微波爐、電風(fēng)扇等)中，所需要的鍵盤按鍵個(gè)數(shù)非常有限,通常為幾個(gè)到十幾個(gè)不等(而標(biāo)準(zhǔn)鍵盤通常為一百多個(gè)按鍵)，并且每個(gè)按鍵所代表的功能含義也各不相同。所以，針對(duì)每一種嵌入式系統(tǒng)都應(yīng)對(duì)鍵盤(包括鍵盤掃描模塊和相關(guān)控制信號(hào)等)進(jìn)行專門設(shè)計(jì),結(jié)合工程實(shí)際情況充分利用該系統(tǒng)已有的各種資源，使所設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)按鍵鍵值的直接編碼。將每個(gè)按鍵的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)連接到編碼器的每個(gè)輸入端，通過(guò)編碼邏輯就可以在編碼器的輸出端得到對(duì)應(yīng)每個(gè)按鍵的碼值，早期稱這種鍵盤為編碼鍵盤。但是，當(dāng)按鍵較多時(shí)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(dāng)按鍵數(shù)量較多時(shí)，普遍采用掃描方式產(chǎn)生鍵值。將按鍵連接成矩陣，每個(gè)按鍵位于某行、某列的交點(diǎn)上，如圖1所示，先通過(guò)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(méi)有對(duì)應(yīng)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(guò)程由硬件邏輯實(shí)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(shí)應(yīng)注意將鍵在閉合過(guò)程中往往會(huì)有一些難以避免的機(jī)械性抖動(dòng)，使輸出信號(hào)也發(fā)生抖動(dòng)，通常達(dá)10 ms～20 ms寬。若不避開(kāi)抖動(dòng)區(qū)，則可能誤認(rèn)為多次按鍵。因此應(yīng)該設(shè)置硬件延時(shí)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(yīng)注意當(dāng)前一個(gè)鍵值還未送出又有按鍵按下時(shí)，后邊的鍵值將覆蓋前邊的鍵值，從而造成丟失。通?？梢栽O(shè)置一個(gè)控制信號(hào)，使前一鍵值送出后才允許產(chǎn)生后一鍵值，或者設(shè)置一組寄存器保存前邊若干個(gè)鍵值，等待系統(tǒng)逐個(gè)按序處理。
硬件掃描鍵盤的優(yōu)點(diǎn)是不需要主機(jī)擔(dān)負(fù)掃描任務(wù)，僅當(dāng)產(chǎn)生鍵值后才向主機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU以相應(yīng)中斷方式接收按鍵鍵值，或者CPU定時(shí)從某個(gè)地址獲取按鍵鍵值。這種方式大大減輕了CPU的運(yùn)行負(fù)荷，使其有更多的時(shí)間段去運(yùn)行其他應(yīng)用程序。
當(dāng)然也可以執(zhí)行鍵盤掃描程序，由CPU通過(guò)軟件方法對(duì)鍵盤進(jìn)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(shí)，鍵盤向主機(jī)提出中斷請(qǐng)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(dāng)有鍵按下時(shí)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(dāng)然，可以在執(zhí)行鍵盤掃描的過(guò)程中加入一定的延時(shí)，以去除抖動(dòng)所帶來(lái)的影響。
如果系統(tǒng)對(duì)CPU的運(yùn)行速度要求較高，并且CPU的負(fù)荷較重，系統(tǒng)資源比較緊張，則可以在鍵盤中設(shè)置一個(gè)單片機(jī)，由單片機(jī)執(zhí)行鍵盤掃描程序，然后向CPU申請(qǐng)中斷并送出掃描碼或者鍵值?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的通用鍵盤大多采用這樣的鍵盤掃描方法。
2 基于FPGA的實(shí)現(xiàn)方法
2.1 實(shí)現(xiàn)方法分析
根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要，擬實(shí)現(xiàn)的鍵盤掃描模塊應(yīng)具有如下特點(diǎn)：
該模塊實(shí)時(shí)地將掃描所得的鍵值信息寫入存儲(chǔ)器指定地址，鍵值信息包括同一按鍵的重復(fù)次數(shù)和鍵值，系統(tǒng)軟件定時(shí)從該地址讀取鍵值信息以執(zhí)行相應(yīng)的操作。
鍵盤去抖動(dòng)的方法是多次掃描法，當(dāng)連續(xù)幾次掃描到同一鍵值時(shí)就認(rèn)為此鍵被按下，這樣就完成了去抖動(dòng)操作。
由于該項(xiàng)目不需要ASCⅡ字符編碼按鍵，故將按鍵值設(shè)計(jì)為1~20直接送出。
為了能表示長(zhǎng)時(shí)間按鍵的操作，當(dāng)確定某一按鍵按下時(shí)，以后每隔一定時(shí)間才掃描一次，若獲得同一鍵值，則將按鍵重復(fù)次數(shù)加一，同時(shí)將重復(fù)次數(shù)和鍵值組合成鍵值信息送出；延遲一定時(shí)間后再次掃描。
2.2 FPGA具體實(shí)現(xiàn)
該設(shè)計(jì)采用4個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤掃描功能，分別為即時(shí)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(shí)掃描模塊
該模塊完成鍵盤即時(shí)掃描功能，當(dāng)檢測(cè)到SCAN信號(hào)有一個(gè)窄脈沖到來(lái)時(shí)，模塊內(nèi)部將產(chǎn)生一組相應(yīng)的KB_OUT信號(hào)輸出到鍵盤矩陣，然后對(duì)KB_IN輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，以判斷有無(wú)鍵被按下及哪個(gè)鍵被按下，并送出相應(yīng)的即時(shí)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(jìn)行掃描及完成鍵盤去抖動(dòng)等。在無(wú)鍵按下時(shí)．CTRL置高電平允許掃描；當(dāng)連續(xù)幾次掃描到同一個(gè)按鍵時(shí)，則認(rèn)為此鍵被按下(已經(jīng)完成去抖動(dòng)操作)。然后CTRL置低電平，禁止掃描并同時(shí)開(kāi)始延時(shí)，當(dāng)CNT達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，重新進(jìn)行掃描并再次延時(shí)，同時(shí)將按鍵重復(fù)次數(shù)和鍵值VALUE組合成KEYVALUES并輸出。以此類推，直到無(wú)鍵按下或檢測(cè)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(shí)計(jì)數(shù)。當(dāng)CTRL為高電平時(shí)，在每個(gè)CLK為50Hz的上升沿送出一個(gè)SCAN窄脈沖；當(dāng)CTRL為低電平時(shí)，延時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，達(dá)到某一特定值時(shí)才送出一次掃描脈沖信號(hào)SCAN。
2.2.4 鍵值傳送模塊
該模塊負(fù)責(zé)把鍵值信息寫入存儲(chǔ)器，供應(yīng)用軟件定時(shí)查詢。當(dāng)輸入端KEYVALUES的值發(fā)生改變時(shí)，才會(huì)發(fā)起一次存儲(chǔ)器寫操作。
3 結(jié)束語(yǔ)
此模塊用VHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)功能、時(shí)序仿真后利用QUARTUS Ⅱ軟件進(jìn)行編譯并下載到Altera的CYCLONE 1C20開(kāi)發(fā)板上。經(jīng)過(guò)對(duì)鍵盤的實(shí)際操作檢驗(yàn)，證明此模塊可以正常實(shí)現(xiàn)鍵盤掃描和去抖動(dòng)等功能，能正確地識(shí)別每一個(gè)按鍵的動(dòng)作。同時(shí)，若對(duì)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(yùn)行負(fù)荷，這對(duì)大多數(shù)對(duì)系統(tǒng)資源比較敏感的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
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