FPGA矩阵键盘的驱动设计与验证

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本文讲解利用***verilog实现矩阵键盘的驱动设计***
，在此之前，想必学过单片机的小伙伴应该很熟悉矩阵键盘，单片机用c语言实现了矩阵键盘驱动的设计(行扫描)…本文是基于FPGA来设计矩阵键盘驱动(4 * 4)，且使用LED灯状态来表示所按下的键值。

由于最早的MCU的IO口相对很少，且如果在比较大的系统中，需要扩大人机交互，就要很多的按键，结果就是系统最终占用大量的IO。所以，矩阵键盘可以在一定程度上解决IO占用过多而浪费的现象。

在矩阵键盘中，每条行线和列线在交叉处都不是简单的直接连同，而是通过一个按键相连，通过这样的结构，一个4*4的具有16个按键的矩阵键盘就只需要8根控制线来控制。

简述原理

：**

由上图发现，共8根信号线，其中COL(列控制线)将每一列的四个按键的一端连接在一起，而ROW(行控制线)将每一行的4个按键一端连接在一起，那么由8根信号线构成的4行4列结构可以管理16个按键，只用了少量的IO口接收按键的输入。

利用列扫描法，4根行控制线被上面的上拉电阻拉至高电平，因此，在没有按键按下的情况下，使用FPGA的IO得到ROW信号上的电平应该是默认的高电平。
如何检测呢：
例如，我们使COL0=0，然后去读取ROW的值，若4个ROW信号电平全部为高，则表示当前列没有按键按下，就切换扫描后面一列，再去读取4个ROW信号电平；当扫描到第三列时，即COL=4’b1011时，检测到ROW=4’b1011，则说明A按键被按下。

本次设计依旧用到状态机，那么描述状态转移条件就显得格外重要：
IDLE：用来检测是否有按键被按下，无按键按下时，行控制线KEY-board-row-i 等于4’b1111=15，当有按键按下时，KEY-board-row-i 不等于15，则进入下一个状态P_FILTER状态。

P_FILTER：进行按键消抖的检测，判断是否是按键按下，若的确是按键按下，则进入下一个状态read_row_p获取行状态的值。

READ_ROW_P: 读取行状态并将存入到寄存器中，并将第0列拉低，进入下一个状态SCAN_C0进行行扫描。

SCAN_C0：进行列扫描，判断该列是否有按键按下，判断行输入是否等于1111=15，若不等15则说明该列有按键按下，反之，将第一列拉低，状态进入下一个SCAN_C1.

SCAN_C1：进行列扫描，判断该列是否有按键按下，判断行输入是否等于1111=15，若不等15则说明该列有按键按下，反之，将第二列拉低，状态进入下一个SCAN_C2.

SCAN_C2：进行列扫描，判断该列是否有按键按下，判断行输入是否等于1111=15，若不等15则说明该列有按键按下，反之，将第三列拉低，状态进入下一个SCAN_C3.

SCAN_C3：进行列扫描，判断该列是否有按键按下，判断行输入是否等于1111=15，若不等15则说明该列有按键按下，反之，状态跳转到PRESS_RESULT输出结果.

PRESS_RESULT：输出扫描结果。

WAIT_R: 等待按键释放，若KEY-board-row-i =15 ，说明按键被释放，状态回到释放消抖状态R_FILTER.

R_FILTER：检测按键是否完全被释放，则跳转到READ_ROW_R状态读取按键行输入状态。

READ_ROW_R：读取按键行输入状态。

画出状态转移图后，就可以“看图说话”了。

状态编码（独热码）

延时计数器（计数来延时20ms，用于消抖部分）

产生延时完成信号（20ms结束）

矩阵键盘扫描状态机

将扫描结果译码输出

仿真验证：利用testbench+仿真模型方式进行仿真。
仿真模型：
`timescale 1ns/1ns

module Key_Board_model(Key_Col,Key_Row);

input [3:0] Key_Col; //矩阵键盘列输入
output reg [3:0]Key_Row; //行输出

reg [15:0] myrand;
reg [3:0] Key_Row_r; //行寄存器
reg key_row_sel; //行选通
reg [1:0]now_col,now_row; //当前行列

initial begin
now_col = 0;
now_row = 0;
key_row_sel = 0;
myrand = 0;
end

initial begin
Key_Row_r = 4’b1111;
#50000000;
press_key(0,0);
press_key(0,1);
press_key(0,2);
press_key(0,3);

press_key(1,0);
press_key(1,1);
press_key(1,2);
press_key(1,3);press_key(2,0);
press_key(2,1);
press_key(2,2);
press_key(2,3);press_key(3,0);
press_key(3,1);
press_key(3,2);
press_key(3,3);
$stop;

end

task press_key;
input [1:0]row,col;
begin
key_row_sel = 0;
Key_Row_r = 4’b1111;
Key_Row_r[row] = 0;
now_row = row;
repeat(20)begin //随机产生按下时20个不同状态
myrand = {KaTeX parse error: Expected 'EOF', got '}' at position 7: random}̲ % 65536; …random} % 65536;
#myrand Key_Row_r[row] = ~Key_Row_r[row];
end
Key_Row_r = 4’b1111;
#22000000;
end
endtask

always@(*)
if(key_row_sel)
case(now_row)
2’d0:Key_Row = {1’b1,1’b1,1’b1,Key_Col[now_col]};
2’d1:Key_Row = {1’b1,1’b1,Key_Col[now_col],1’b1};
2’d2:Key_Row = {1’b1,Key_Col[now_col],1’b1,1’b1};
2’d3:Key_Row = {Key_Col[now_col],1’b1,1’b1,1’b1};
endcase

else
Key_Row = Key_Row_r;
endmodule

最后编写整个仿真的测试顶层代码。

观察波形，看出当按键检测完成信号key_flag有效时，key_board_row_r寄存器中行值为1110，此时的列值col_tmp为0001，检测结果key_VALUE_tmp=1110_0001,所以经过译码，得到key_value为第一行第一列，键值为0000.

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