基于FPGA和VHDL語言的多按鍵狀態(tài)識別系統(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，采用VHDL語言的多按鍵狀態(tài)識別系統(tǒng)，實現(xiàn)識別60個按鍵自由操作，并簡化MCU的控制信號。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計方案

　　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，外圍電路簡單可靠等特性。因此，該系統(tǒng)設(shè)計是由MCU、FPGA、按鍵等部分組成。60路按鍵信號進(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，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部分供電。其系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖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個可用I/0端口，每個端口輸入電流最高達(dá)25 mA，輸出電流達(dá)25 mA;l728個邏輯單元(Les)，12 288 bit的用戶Flash存儲器，可滿足用戶小容量信息存儲，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

　　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)，需要一個外置存儲器保存信息，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。

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　　2.2 按鍵電路

　　圖3為一路按鍵電路，共60個按鍵(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：在外界干擾信號大于VCC時導(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

　　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。

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　　圖4中，K1~K60為60個按鍵的輸入端，Scan為工作模式選擇信號，Ready為讀準(zhǔn)備好信號，RdClk為讀時鐘信號，Data[7：0]為數(shù)據(jù)輸出，ModCtr為編碼模式控制信號，F(xiàn)IFOWEn為FIFO RAM寫使能信號，F(xiàn)IFOIn為FIFO RAM數(shù)據(jù)輸入，State為按鍵狀態(tài)掃描信號。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FIFO RAM的讀取控制信號;MCU可通過Readv、RdClk控制信號讀取Data[7：0]數(shù)據(jù)線上的按鍵編號和狀態(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。掃描按鍵狀態(tài)輸入是以5 m8為周期掃描60個輸入引腳，將其結(jié)果存入60個兩位狀態(tài)移位寄存器。其代碼為：

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　　按鍵去抖有硬件和軟件2種實現(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)計采用軟件去抖。圖5為軟件去抖動流程。圖中State為2位狀態(tài)移位寄存器，初始值為0，TimeDelay為延時計數(shù)器。

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　　軟件去抖動過程說明：對狀態(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，說明按鍵有動作，則令TimeDelay=1，啟動延時計數(shù);若m=O，表明按鍵處于去抖延時或者平穩(wěn)狀態(tài)。這時判斷TimeDelay，若TimeDelay=0，則按鍵處于平穩(wěn)狀態(tài);若0MaxDelay時說明按鍵已經(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：

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　　3.2 編碼模塊

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

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　　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個按鍵;lbit偶校驗位。這樣傳輸一次數(shù)據(jù)就可完成按鍵編號和狀態(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個作用：一是根據(jù)Scan信號選擇編碼模塊的工作模式，二是產(chǎn)生FIFO RAM的讀取操作時序。

　　對于模式控制，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)送控制信號使編碼模塊進(jìn)入隨機(jī)工作模式。

　　對于讀取數(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。有數(shù)據(jù)，Ready為低電平;無數(shù)據(jù)，Ready為高電平。RdClk為讀取時鐘，相當(dāng)于確認(rèn)信號，每讀完一個數(shù)據(jù)，發(fā)送一個脈沖。

　　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，其集成有與硬件實時操作相吻合的硬件測試工具。綜合仿真結(jié)果如圖7所示，系統(tǒng)時鐘SysClk為12 kHz，其仿真結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到要求。

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　　5 結(jié)論

　　提出基于FPGA器件，VHDL語言描述的特殊鍵盤設(shè)計方案解決遠(yuǎn)距離、分散、多鍵動作狀態(tài)識別問題，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。這一方案已在實際項目中應(yīng)用，經(jīng)現(xiàn)場驗證性能穩(wěn)定可靠。