基于FPGA的可鍵盤控制計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹一種基于FPGA(Field Programmable Gate Array)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的可鍵盤控制的計(jì)數(shù)，顯示電路的實(shí)現(xiàn)方法。應(yīng)用VHDL語(yǔ)言(高速集成電路硬件描述語(yǔ)言)完成了3x4矩陣開(kāi)關(guān)的掃描電路，可預(yù)置數(shù)的BCD碼計(jì)數(shù)電路及4位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描電路的描述。通過(guò)原理圖輸入方式完成了系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于擴(kuò)展，可靠性高，且可移植性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)。該電路已成功應(yīng)用于測(cè)試某脈沖電容質(zhì)量試驗(yàn)的控制電路中。
關(guān)鍵詞：FPGA；鍵盤掃描；計(jì)數(shù)；動(dòng)態(tài)顯示

    FPGA做為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)的核心器件，成為目前硬件設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。在工業(yè)控制中，計(jì)數(shù)顯示基本電路在儀器儀表中得到了廣泛應(yīng)用，而如何根據(jù)需要靈活的設(shè)置計(jì)數(shù)范圍，是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題。本文應(yīng)用EDA技術(shù)通過(guò)對(duì)鍵盤的控制，實(shí)現(xiàn)了從0～9999范圍內(nèi)預(yù)置數(shù)可變的計(jì)數(shù)顯示電路設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的應(yīng)用單片機(jī)控制鍵盤掃描的設(shè)計(jì)方法相比，具有集成度高，穩(wěn)定度高，抗噪聲能力強(qiáng)，容錯(cuò)率低等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及電路圖
    圖1為基于FPGA的預(yù)置數(shù)可控計(jì)數(shù)顯示頂層設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)電路CNT；4位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示電路scan_LED。首先，由鍵盤掃描電路完成對(duì)鍵盤的掃描和鍵值的譯碼，當(dāng)計(jì)數(shù)電路置數(shù)端LOAD為上升沿時(shí)，將鍵盤掃描電路讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)P3-P0并行置入到計(jì)數(shù)器中做為其計(jì)數(shù)范圍，計(jì)數(shù)器的輸出通過(guò)動(dòng)態(tài)掃描譯碼模塊驅(qū)動(dòng)4位數(shù)碼管顯示。

2 VHDL語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)
    該設(shè)計(jì)采用層次化設(shè)計(jì)方法，首先采用VHDL語(yǔ)言完成了對(duì)各子模塊電路的描述，然后分別將其生成符號(hào)元件，通過(guò)原理圖編輯完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
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(gè)交叉點(diǎn)，每個(gè)交叉點(diǎn)連接一個(gè)按鍵。12個(gè)按鍵分別對(duì)應(yīng)數(shù)字0～9和清零鍵A，確定鍵B。當(dāng)沒(méi)有按鍵按下時(shí)，所有交叉點(diǎn)斷開(kāi)，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(shè)置為低電平，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，該鍵所在的行線和列線被按鍵短路，那么相應(yīng)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(shí)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(shí)鐘信號(hào)，無(wú)鍵按下時(shí)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(biāo)志信號(hào)，當(dāng)P3-P0輸出時(shí)，START端輸出一個(gè)脈沖。工作時(shí)，由行信號(hào)輸出端KEY_HANG[2．．0]循環(huán)輸出“110”，“101”，“011”。當(dāng)沒(méi)有按鍵按下時(shí)，掃描電路列信號(hào)輸入端檢測(cè)到“1111”。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，例如按下1鍵，此時(shí)行信號(hào)KEY_HANG[2..0]輸出“011”，由圖2可知。列信號(hào)輸入端將檢測(cè)到“0111”，在掃描譯碼時(shí)，可根據(jù)行信號(hào)輸出和列信號(hào)輸入數(shù)據(jù)同時(shí)判斷“0110111”對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為1。

2．1．3 鍵盤掃描電路VEIDL實(shí)現(xiàn)
    鍵盤掃描電路主要有判斷按鍵有無(wú)按下，鍵值識(shí)別和去抖動(dòng)處理等功能。其中去抖處理主要為了避免外界振動(dòng)引起按鍵誤動(dòng)，以及保證按鍵每穩(wěn)定閉合一次，系統(tǒng)僅對(duì)其響應(yīng)一次。采用不同的鍵盤其機(jī)械抖動(dòng)時(shí)間各異，本文設(shè)置去抖時(shí)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(dòng)程序關(guān)鍵代碼：
   
   

2．2 可預(yù)置數(shù)BCD碼計(jì)數(shù)電路
    圖5為可預(yù)置數(shù)BCD碼計(jì)數(shù)電路。置數(shù)端LOAD為高電平時(shí)，將通過(guò)鍵盤設(shè)置的數(shù)并行置入到D3～D0。然后對(duì)輸入的脈沖直接進(jìn)行BCD碼減法計(jì)數(shù)，由Q3～Q0輸出。計(jì)數(shù)結(jié)束，ENDCNT端輸出一個(gè)脈沖。

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    部分源程序如下所示：
   

2．3 4位數(shù)碼管動(dòng)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(dòng)態(tài)顯示控制兩種。本電路設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)掃描方式，具有占用資源少，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。電路如圖6所示。外接4位共陰數(shù)碼管，其中每個(gè)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(hào)來(lái)選擇。被選通的數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，其余關(guān)閉，與此同時(shí)，在段信號(hào)輸入端口加上希望在該對(duì)應(yīng)數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)。隨著選通信號(hào)的循環(huán)掃描，段碼的分別輸出，利用數(shù)碼管的余暉效應(yīng)，即可顯示4位數(shù)據(jù)。

3 仿真結(jié)果
    將設(shè)計(jì)好的電路經(jīng)過(guò)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(duì)目標(biāo)芯片內(nèi)部信號(hào)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行觀察分析，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)中已將預(yù)置數(shù)1234置入計(jì)數(shù)器中，通過(guò)圖7可以看到此時(shí)位選信號(hào)選通第2位數(shù)碼管，顯示數(shù)據(jù)3。

4 結(jié)束語(yǔ)
    完成了基于FPGA，應(yīng)用VHDL文本輸入和原理圖混合輸入法，實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)靈活設(shè)置的計(jì)數(shù)顯示電路。該電路設(shè)計(jì)解決了可預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)器從外部設(shè)備置數(shù)難的問(wèn)題，以及在電路內(nèi)部直接實(shí)現(xiàn)BCD碼計(jì)數(shù)，方便，可靠，電路簡(jiǎn)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。