FPGA学习系列：26. 矩阵键盘的设计

设计背景：
矩阵键盘在工程设计越来越多的被用到，已然成为了我们做开发接触到的不可缺少的小型项目，利于我们理解设计方向的原理为以后的强化学习打好了坚实的基础。
设计原理:
在使用按键的时候，如果按键不多的话，我们可以直接按键与fpga相连接，但是如果按键比较多的时候，如何还继续使用直接按键与fpga相连接的话，所会大量增加fpga端口的消耗，为了减少fpga端口的消
耗，我们可以把按键设计成矩阵的形式，就如下图所示：
由上图可以知道，矩阵键盘的行row（行）与col（列）的交点，都是通过一个按键来相连接。传统的一个按键一个端口的方法，若要实现16个按键，则需要16个端口，而现在这个矩阵键盘的设计，16个按键，仅仅需要8个端口，如果使用16个端口来做矩阵键盘的话，可以识别64个按键，端口的利用率远远比传统的设计好的多，所以如果需要的按键少的话，可以选择传统的按键设计，如果需要的按键比较多的话，可以采用这种矩阵键盘的设计。而我们现在就以扫描法为例来介绍矩阵键盘的工作原理。
首先col（列）是fpga给矩阵键盘输出的扫描信号，而row（行）是矩阵键盘反馈给fpga的输入信号，用于检测哪一个按键被按下来，如下图所示：
详细如上图所示，fpga给出扫描信号col[3:0]，col = 4’b0111，等下一个时钟周期col = 4’b1011，再等下一个时钟周期col =4’b1101，再等下一个时钟周期col = 4’b1110，再等下一个时钟周期col = 4’b0111，col就是这样不断循环，给矩阵键盘一个低电平有效的扫描信号，当fpga给矩阵键盘col扫描信号的同时，fpga也要在检测矩阵键盘给fpga的的反馈信号row，举个例子，假若矩阵键盘中的9号案件被按下了：
当 col = 4’b1101，row =4’b1011 ；
当9号按键被按下的时候，9号按键的电路就会被导通，扫描电路col开始扫描，当扫描到col[1]的时候，由于9号按键的电路被导通了，col[1]的电压等于row[2]的电压，所以会出现当col = 4’b1101的时候row = 4’b1011；然后我们就可以利用这一种现象，来设计一个识别按键的电路。
设计架构图:
设计代码:
设计模块
0modulekey_borad(clk,rst_n,row,col,key_num);
1 inputclk;
2 inputrst_n;
3 input[3:0]row; //输入反馈信号
4
5
6 outputreg[3:0]col; //输出扫描信号
7 outputreg[3:0]key_num; //按键值得输除
8
9 reg[15:0]count;
10
11 parametert1ms =50000;//扫描的时间间隔 50000 * 20ns
12 //parameter t1ms = 5;
13
14 regflag;
15 always@(posedgeclk ornegedgerst_n)
16 if(!rst_n)
17 begin
18 count <=16'd0;
19 flag <=1'b0;
20 end
21 else
22 begin
23 if(count 24 begin
25 count <=count +1'b1;
26 flag <=0;
27 end
28 else
29 begin
30 flag <=1'b1;//计数到了就给一个标志位
31 count <=16'b0;
32 end
33 end
34 always@(posedgeclk ornegedgerst_n)
35 if(!rst_n)
36 begin
37 col <=4'b0111;
38 end
39 else
40 begin
41 if(flag)
42 col <={col[2:0],col[3]};//列扫描
43 else
44 col <=col;
45 end
46
47 //键值得翻译模块
48 always@(posedgeclk ornegedgerst_n)
49 if(!rst_n)
50 key_num =4'd0;
51 else
52 case({row,col}) //位拼接行和列的信号，翻译出对应的键值
53 8'b0111_0111:key_num =4'hf;
54 8'b0111_1011:key_num =4'he;
55 8'b0111_1101:key_num =4'hd;
56 8'b0111_1110:key_num =4'hc;
57
58 8'b1011_0111:key_num =4'hb;
59 8'b1011_1011:key_num =4'ha;
60 8'b1011_1101:key_num =4'h9;
61 8'b1011_1110:key_num =4'h8;
62
63 8'b1101_0111:key_num =4'h7;
64 8'b1101_1011:key_num =4'h6;
65 8'b1101_1101:key_num =4'h5;
66 8'b1101_1110:key_num =4'h4;
67
68 8'b1110_0111:key_num =4'h3;
69 8'b1110_1011:key_num =4'h2;
70 8'b1110_1101:key_num =4'h1;
71 8'b1110_1110:key_num =4'h0;
72 default:;
73 endcase
74endmodule
测试模块
0`timescale1ns/1ps
1
2modulekey_borad_tb();
3 regclk;
4 regrst_n;
5 reg[4:0]pressnum;//按键的值
6 wire[3:0]row;
7
8 wire[3:0]col;
9 wire[3:0]key_num;//输出的值
10
11 initialbegin
12 clk =1'b1;
13 rst_n =1'b0;
14 pressnum =5'd16;
15
16 #200.1
17 rst_n =1'b1;
18 #1000
19 pressnum =5'd16;
20
21 #1000
22 pressnum =5'd8;
23
24 #1000
25 pressnum =5'd16;
26
27 #1000
28 pressnum =5'd15;
29 #1000
30 pressnum =5'd16;
31 #1000
32 $stop;
33
34 end
35 always#10clk =~clk;
36 //例化对应的模块
37 key_top borad_dut(
38 .clk(clk),
39 .rst_n(rst_n),
40 .row(row),
41 .col(col),
42 .key_num(key_num)
43 );
44 yingjian yingjian_dut(//硬件检测电路 //此模块自己可以设计
45 .clk(clk),
46 .rst_n(rst_n),
47 .col(col),
48 .row(row),
49 .pressnum(pressnum)
50 );
51endmodule
仿真图:
在仿真图中可以清晰的看出当按键按下的时候为8，显示出来的键值也为8，当抬起的时候为16，那么键值就保持不变，在设置的时候我们设置的是按键抬起为16，通过验证我们得到我们的设计是正确的。