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至芯科技

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今天讲课的题目是：4x4键盘矩阵。

本节课我先简要地介绍一下键盘矩阵的物理原理，然后实际演示一下键盘矩阵驱动逻辑电路的建模与仿真，我们还要结合之前讲过的数码管一起编写一个完整的演示逻辑，并下板查看实际效果。

4x4键盘矩阵

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至芯科技ZX_1开发板的矩阵键盘的电路图如下。

4x4键盘矩阵

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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。

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。

4x4键盘矩阵

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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：

4x4键盘矩阵

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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号按键被按下了：

当COL = 4’b0111，ROW = 4’b1111；

当COL = 4’b1011，ROW = 4’b1111；

当COL = 4’b1101，ROW = 4’b1011；

当COL = 4’b1110，ROW = 4’b1111；

4x4键盘矩阵

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有人问，为什么当COL = 4’b1101的时候，ROW = 4’b1011呢？

我们现在就以矩阵键盘的电路来分析一下这个原因，如下图所示。

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。

4x4键盘矩阵

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DE2开发板上通过GPIO口外接8PIN的4x4薄膜矩阵键盘。

从电路原理图来看，与至芯科技ZX_1开发板相比，DE2开发板多了限流电阻和二极管限压保护，但是没有对row0~row3进行上拉，我们可以在FPGA管脚配置的时候对row0~row3信号进行弱上拉。

4x4键盘矩阵

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4x4键盘矩阵

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4x4薄膜矩阵键盘连接实物图。

左图中插针对应信号row3、row2、row1、row0、col3、col2、col1、col0。

按照右图中连接方法，信号对应关系如下：

col0 IO_B11 (47R + Diodes) GPIO_1[11] PIN_P24

col1 IO_B13 (47R + Diodes) GPIO_1[13] PIN_R24

col2 IO_B15 (47R + Diodes) GPIO_1[15] PIN_T22

col3 IO_B17 (47R + Diodes) GPIO_1[17] PIN_T24

row0 IO_B19 (47R + Diodes) GPIO_1[19] PIN_T18

row1 IO_B21 (47R + Diodes) GPIO_1[21] PIN_T20

row2 IO_B23 (47R + Diodes) GPIO_1[23] PIN_U25

row3 IO_B25 (47R + Diodes) GPIO_1[25] PIN_U24

4x4键盘矩阵

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4x4键盘矩阵

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4x4键盘矩阵

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矩阵键盘的扫描原理既然已经清楚，我们下面来进行系统设计。

命名逻辑为key_pad。

架构图如下所示。

4x4键盘矩阵

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加上数码管数据预处理模块pre_seg7和数码管模块seg7后，系统总体架构图如下。

其中，数码管数据预处理模块pre_seg7将键盘矩阵模块key_pad输出的1

位按键数补充到显示的8位数的低位上，高位左移。

比如，数码管原显示01234567，如果键盘按下8，则数码管显示变为12345678。

4x4键盘矩阵

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4x4键盘矩阵

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先从键盘矩阵模块key_pad.v做起吧！

新建工程文件夹key_pad。新建key_pad.v文件。

（详见文字说明）

4x4键盘矩阵

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进行分析综合检查。

编写Testbench。新建key_pad_tb.v文件。

（详见文字说明）

4x4键盘矩阵

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进行分析综合检查。

进行仿真设置。

查看仿真结果。

每次按键按下之后，数据位data和标志位flag都有对应数字的输出。

仿真功能正确。

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向工程文件夹添加第九讲的数码管模块seg7.v。 （详见文字说明）

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新建数码管数据预处理模块pre_seg7.v。 （详见文字说明）

4x4键盘矩阵

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新建top.v顶层模块，将以上三个模块都加入到top.v顶层模块中进行例化。

其中数码管模块seg7.v需要例化8次，分别对应8个数码管。

将top.v模块设置为顶层模块。

编写top.v模块如下。

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运行.tcl文件设置好FPGA管脚

在Tools菜单下点击Tcl

Scripts…选项，运行编写好的DE2_key_pad.

tcl文件内容，对FPGA芯片管脚进行设置。在弹出对话框中选中Project

下的DE2_key_pad.

tcl，点击RUN

按钮。

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运行.tcl文件设置好FPGA管脚

在Tools菜单下点击Tcl

Scripts…选项，运行编写好的DE2_key_pad.

tcl文件内容，对FPGA芯片管脚进行设置。在弹出对话框中选中Project

下的DE2_key_pad.

tcl，点击RUN

按钮。

4x4键盘矩阵

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DE2_key_pad.t

cl文件相关内容如下所示。注意其中有设置弱上拉的语句。

（详见文字说明）

FPGA芯片配置结果如图所示。

4x4键盘矩阵

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DE2_key_pa

d.tcl文件相关内容如下所示。注意其中有设置弱上拉的语句。

（详见文字说明）

FPGA芯片配置结果如图所示。

4x4键盘矩阵

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为了能观察到弱上拉项，需要进行如下操作。

•在弹出的Pin Planner

界面的All Pins区域里点击鼠标右键，找到 Customize

Columns。

4x4键盘矩阵

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•在弹出的Customize Columns对话框的左列表框选择Weak Pull-Up Resistor，再点击，把Weak Pull-Up Resistor添加到右列表框，这样在Pin Planner的All Pins区域里就有一列Weak Pull-Up Resistor的设置项。

4x4键盘矩阵

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•再把需要上拉电阻的Pin在其对应的Weak Pull-

Up Resistor列的位置双极鼠标左键，就会弹出一个Off/On的选项，选上On就可以了。

•重新综合布局布线生成新的下载文件即可生效。此上拉电阻为弱上拉，Altera 没有下拉电阻选项。

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.sof文件下载到FPGA

全编译FPGA工程，生成.sof文件，连接DE2开发板并上电。

打开Programmer通过Jtag口，将.sof文件下载到FPGA进行在线仿真。

.sof文件下载界面如下图所示。

4x4键盘矩阵

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开发板运行效果

开发板运行效果如下图所示。

经检查，开发板运行效果与设计相符。

程序下载后，当键盘矩阵按下1位按键时，该数补充到显示的8位数的低位上，高位左移。

比如，数码管原来显示01234567，如果键盘按下8，则数码管显示变为12345678。

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