基于FPGA的鍵盤掃描模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

?????? 在電子產(chǎn)品中，鍵盤是最基本的輸入設(shè)備，然而在應(yīng)用中都采用通用的鍵盤掃描器件是不現(xiàn)實的，需要單獨設(shè)計成專用的小鍵盤。現(xiàn)代EDA(電子設(shè)計自動化)技術(shù)提供了一種很好的途徑,利用VHDL硬件描述語言和FPGA器件可以很方便地構(gòu)建鍵盤掃描模塊。經(jīng)過實際操作檢驗,該模塊可以很好地對每一次按鍵動作進行掃描和響應(yīng)，實現(xiàn)預(yù)先設(shè)計的功能。

　　1 概述

　　1.1 通用鍵盤和專用鍵盤

　　在現(xiàn)代個人計算機系統(tǒng)中，一般都采用通用的標準鍵盤(如：標準101/102鍵盤或Microsoft自然PS/2鍵盤)來實現(xiàn)人與計算機之間的接口交互,所需要的各種數(shù)據(jù)和指令等信息都通過鍵盤來輸入計算機。

　　但是，在各種嵌入式系統(tǒng)(如手機、微波爐、電風(fēng)扇等)中，所需要的鍵盤按鍵個數(shù)非常有限,通常為幾個到十幾個不等(而標準鍵盤通常為一百多個按鍵)，并且每個按鍵所代表的功能含義也各不相同。所以，針對每一種嵌入式系統(tǒng)都應(yīng)對鍵盤(包括鍵盤掃描模塊和相關(guān)控制信號等)進行專門設(shè)計,結(jié)合工程實際情況充分利用該系統(tǒng)已有的各種資源，使所設(shè)計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

　　在數(shù)字電路中，可以利用編碼器實現(xiàn)按鍵鍵值的直接編碼。將每個按鍵的輸出信號對應(yīng)連接到編碼器的每個輸入端，通過編碼邏輯就可以在編碼器的輸出端得到對應(yīng)每個按鍵的碼值，早期稱這種鍵盤為編碼鍵盤。但是，當按鍵較多時數(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。

　　在通用鍵盤上或當按鍵數(shù)量較多時，普遍采用掃描方式產(chǎn)生鍵值。將按鍵連接成矩陣，每個按鍵位于某行、某列的交點上，如圖1所示，先通過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有對應(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)行掃描的過程由硬件邏輯實現(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)行鍵盤掃描時應(yīng)注意將鍵在閉合過程中往往會有一些難以避免的機械性抖動，使輸出信號也發(fā)生抖動，通常達10 ms～20 ms寬。若不避開抖動區(qū)，則可能誤認為多次按鍵。因此應(yīng)該設(shè)置硬件延時電路，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)注意當前一個鍵值還未送出又有按鍵按下時，后邊的鍵值將覆蓋前邊的鍵值，從而造成丟失。通常可以設(shè)置一個控制信號，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鍵值，等待系統(tǒng)逐個按序處理。

　　硬件掃描鍵盤的優(yōu)點是不需要主機擔負掃描任務(wù)，僅當產(chǎn)生鍵值后才向主機發(fā)出中斷請求，CPU以相應(yīng)中斷方式接收按鍵鍵值，或者CPU定時從某個地址獲取按鍵鍵值。這種方式大大減輕了CPU的運行負荷，使其有更多的時間段去運行其他應(yīng)用程序。

　　當然也可以執(zhí)行鍵盤掃描程序，由CPU通過軟件方法對鍵盤進行掃描，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，鍵盤向主機提出中斷請求，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，當有鍵按下時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。當然，可以在執(zhí)行鍵盤掃描的過程中加入一定的延時，以去除抖動所帶來的影響。

　　如果系統(tǒng)對CPU的運行速度要求較高，并且CPU的負荷較重，系統(tǒng)資源比較緊張，則可以在鍵盤中設(shè)置一個單片機，由單片機執(zhí)行鍵盤掃描程序，然后向CPU申請中斷并送出掃描碼或者鍵值?，F(xiàn)代計算機的通用鍵盤大多采用這樣的鍵盤掃描方法。