利用FPGA與VHDL語言實(shí)現(xiàn)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(jiǎn)化MCU的控制信號(hào)。

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(jiǎn)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(hào)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(hào)，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(hào)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(hào)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(hào)，Ready為讀準(zhǔn)備好信號(hào)，RdClk為讀時(shí)鐘信號(hào)，Data[7：0]為數(shù)據(jù)輸出，ModCtr為編碼模式控制信號(hào)，F(xiàn)IFOWEn為FIFO RAM寫使能信號(hào)，F(xiàn)IFOIn為FIFO RAM數(shù)據(jù)輸入，State為按鍵狀態(tài)掃描信號(hào)。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(hào)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(duì)FIFO RAM的讀取控制信號(hào)；MCU可通過Readv、RdClk控制信號(hào)讀取Data[7：0]數(shù)據(jù)線上的按鍵編號(hào)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。

軟件去抖動(dòng)過程說明：對(duì)狀態(tài)寄存器的2位數(shù)值做異或運(yùn)算，即m=State_1 Xor State_2。若m=l，說明按鍵有動(dòng)作，則令TimeDelay=1，啟動(dòng)延時(shí)計(jì)數(shù)；若m=O，表明按鍵處于去抖延時(shí)或者平穩(wěn)狀態(tài)。這時(shí)判斷TimeDelay，若TimeDelay=0，則按鍵處于平穩(wěn)狀態(tài)；若0MaxDelay時(shí)說明按鍵已經(jīng)平穩(wěn)，將結(jié)果送入編碼器模塊。軟件去抖關(guān)鍵代碼如下：

3．2 編碼模塊

以0、l表示按鍵通斷狀態(tài)，60個(gè)按鍵則需要8個(gè)字節(jié)；在實(shí)際中單鍵動(dòng)作的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多鍵同時(shí)動(dòng)作的概率，若只對(duì)狀態(tài)發(fā)生變化的按鍵以8位編碼方式傳輸按鍵信息，則一個(gè)按鍵只需傳送一個(gè)字節(jié)，因此為盡可能地減少M(fèi)CU的負(fù)擔(dān)，提高實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)為只在按鍵發(fā)生狀態(tài)變化時(shí)才向MCU傳輸相應(yīng)按鍵的編號(hào)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。其編碼數(shù)據(jù)格式如圖6所示。

狀態(tài)位lbit，0表示按鍵閉合狀態(tài)，1表示按鍵打開；數(shù)據(jù)6bits，即0X01~OX3C分別表示1~60個(gè)按鍵；lbit偶校驗(yàn)位。這樣傳輸一次數(shù)據(jù)就可完成按鍵編號(hào)和狀態(tài)的傳輸。

編碼器采用連續(xù)和隨機(jī)2種工作模式。連續(xù)工作模式每次掃描后對(duì)所有按鍵依次編碼，并獲取所有按鍵的當(dāng)前狀態(tài)；而隨機(jī)工作模式在每次掃描后只對(duì)狀態(tài)發(fā)生變化的按鍵編碼。

3．3 控制模塊

控制模塊完成MCU與FPGA之間的功能控制，有2個(gè)作用：一是根據(jù)Scan信號(hào)選擇編碼模塊的工作模式，二是產(chǎn)生FIFO RAM的讀取操作時(shí)序。

對(duì)于模式控制，Scan上升沿觸發(fā)控制模塊，使編碼模塊進(jìn)入連續(xù)工作模式，掃描完成一周，控制模塊發(fā)送控制信號(hào)使編碼模塊進(jìn)入隨機(jī)工作模式。

對(duì)于讀取數(shù)據(jù)，控制模塊根據(jù)FIFO RAM的Data[7：0]是否有數(shù)據(jù)，置位Ready信號(hào)。有數(shù)據(jù)，Ready為低電平；無數(shù)據(jù)，Ready為高電平。RdClk為讀取時(shí)鐘，相當(dāng)于確認(rèn)信號(hào)，每讀完一個(gè)數(shù)據(jù)，發(fā)送一個(gè)脈沖。

3．4 FIFORAM模塊

與MCU通信的接口種類很多，可選擇串口、I2C、并口等形式，應(yīng)用中可根據(jù)MCU資源以及項(xiàng)目成本、進(jìn)度等具體情況選擇最合適的一種方式。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用同步FIF0 RAM并口傳輸。FIF0 RAM模塊采用EDA軟件庫中的標(biāo)準(zhǔn)模塊。

4 仿真結(jié)果

采用Altera公司提供的Quartus II仿真工具，其集成有與硬件實(shí)時(shí)操作相吻合的硬件測(cè)試工具。綜合仿真結(jié)果如圖7所示，系統(tǒng)時(shí)鐘SysClk為12 kHz，其仿真結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到要求。

5 結(jié)論

提出基于FPGA器件，VHDL語言描述的特殊鍵盤設(shè)計(jì)方案解決遠(yuǎn)距離、分散、多鍵動(dòng)作狀態(tài)識(shí)別問題，極大節(jié)省PCB面積和MCU的I／0端口資源。模塊中掃描延遲、掃描間隔等參數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)需求靈活改變，F(xiàn)PGA器件使得電路功能的擴(kuò)展方便，具有極高穩(wěn)定性和靈活性。這一方案已在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證性能穩(wěn)定可靠。