基于FPGA的键盘扫描模块的设计与实现

摘要：在电子产品中，键盘是最基本的输入设备，然而在应用中都采用通用的键盘扫描器件是不现实的，需要单独设计成专用的小键盘。现代EDA(电子设计自动化)技术提供了一种很好的途径,利用VHDL硬件描述语言和FPGA器件可以很方便地构建键盘扫描模块。经过实际操作检验,该模块可以很好地对每一次按键动作进行扫描和响应，实现预先设计的功能。
关键词：嵌入式系统；键盘扫描；抖动；FPGA;EDA

1 概述
1.1 通用键盘和专用键盘
    在现代个人计算机系统中，一般都采用通用的标准键盘(如：标准101/102键盘或Microsoft自然PS/2键盘)来实现人与计算机之间的接口交互,所需要的各种数据和指令等信息都通过键盘来输入计算机。
    但是，在各种嵌入式系统(如手机、微波炉、电风扇等)中，所需要的键盘按键个数非常有限,通常为几个到十几个不等(而标准键盘通常为一百多个按键)，并且每个按键所代表的功能含义也各不相同。所以，针对每一种嵌入式系统都应对键盘(包括键盘扫描模块和相关控制信号等)进行专门设计,结合工程实际情况充分利用该系统已有的各种资源，使所设计的键盘恰如其分地融合到嵌入式系统中，成为其不可分割的一部分。
1.2 编码键盘和扫描键盘
    在数字电路中，可以利用编码器实现按键键值的直接编码。将每个按键的输出信号对应连接到编码器的每个输入端，通过编码逻辑就可以在编码器的输出端得到对应每个按键的码值，早期称这种键盘为编码键盘。但是，当按键较多时数码逻辑的成本较高，直接编码的方法也不够灵括，一旦编码逻辑固定就难以更改。
    在通用键盘上或当按键数量较多时，普遍采用扫描方式产生键值。将按键连接成矩阵，每个按键位于某行、某列的交点上，如图1所示，先通过扫描方式确定按下键的行和列位，即位置码或扫描码。再查表将位置码转换为按键码值或者直接使用扫描码，有些参考书称此为“非编码键盘”。但这种名称容易让人误解为没有对应的键值，因此又称为扫描式键盘。

1.3 硬件扫描键盘与软件扫描键盘
    如果执行扫描的过程由硬件逻辑实现，则这种键盘称为硬件扫描键盘或电子扫描式编码键盘。在执行键盘扫描时应注意将键在闭合过程中往往会有一些难以避免的机械性抖动，使输出信号也发生抖动，通常达10 ms～20 ms宽。若不避开抖动区，则可能误认为多次按键。因此应该设置硬件延时电路，延迟数十毫秒后才读取键值，这种电路称为去抖电路。还应注意当前一个键值还未送出又有按键按下时，后边的键值将覆盖前边的键值，从而造成丢失。通常可以设置一个控制信号，使前一键值送出后才允许产生后一键值，或者设置一组寄存器保存前边若干个键值，等待系统逐个按序处理。
    硬件扫描键盘的优点是不需要主机担负扫描任务，仅当产生键值后才向主机发出中断请求，CPU以相应中断方式接收按键键值，或者CPU定时从某个地址获取按键键值。这种方式大大减轻了CPU的运行负荷，使其有更多的时间段去运行其他应用程序。
    当然也可以执行键盘扫描程序，由CPU通过软件方法对键盘进行扫描，键盘扫描程序的流程如图2所示。这种键盘被称为软件扫描键盘。按键时，键盘向主机提出中断请求，由软件扫描键盘获得按键键值，或者由CPU定期执行键盘扫描程序，从而获得按键键值，这种扫描方法被称为逐行扫描法，当有键按下时首先获得此键的列值，然后逐行扫描就可以判断按键所在的行值，由行、列值转换到按键键值。当然，可以在执行键盘扫描的过程中加入一定的延时，以去除抖动所带来的影响。

    如果系统对CPU的运行速度要求较高，并且CPU的负荷较重，系统资源比较紧张，则可以在键盘中设置一个单片机，由单片机执行键盘扫描程序，然后向CPU申请中断并送出扫描码或者键值。现代计算机的通用键盘大多采用这样的键盘扫描方法。

2 基于FPGA的实现方法
2.1 实现方法分析
    根据项目的实际需要，拟实现的键盘扫描模块应具有如下特点：
    该模块实时地将扫描所得的键值信息写入存储器指定地址，键值信息包括同一按键的重复次数和键值，系统软件定时从该地址读取键值信息以执行相应的操作。
    键盘去抖动的方法是多次扫描法，当连续几次扫描到同一键值时就认为此键被按下，这样就完成了去抖动操作。
    由于该项目不需要ASCⅡ字符编码按键，故将按键值设计为1~20直接送出。
    为了能表示长时间按键的操作，当确定某一按键按下时，以后每隔一定时间才扫描一次，若获得同一键值，则将按键重复次数加一，同时将重复次数和键值组合成键值信息送出；延迟一定时间后再次扫描。
2.2 FPGA具体实现
    该设计采用4个模块来实现键盘扫描功能，分别为即时扫描模块、扫描控制模块、扫描脉冲模块和键值传送模块，如图3所示。

2.2.1 即时扫描模块
    该模块完成键盘即时扫描功能，当检测到SCAN信号有一个窄脉冲到来时，模块内部将产生一组相应的KB_OUT信号输出到键盘矩阵，然后对KB_IN输入信号进行检测，以判断有无键被按下及哪个键被按下，并送出相应的即时键值VALUE。
2.2.2 扫描控制模块
    该模块的功能是控制是否允许进行扫描及完成键盘去抖动等。在无键按下时．CTRL置高电平允许扫描；当连续几次扫描到同一个按键时，则认为此键被按下(已经完成去抖动操作)。然后CTRL置低电平，禁止扫描并同时开始延时，当CNT达到某一数值时，重新进行扫描并再次延时，同时将按键重复次数和键值VALUE组合成KEYVALUES并输出。以此类推，直到无键按下或检测到其他的键值。
2.2.3 扫描脉冲模块
    该模块的主要功能为产生扫描指示窄脉冲和扫描延时计数。当CTRL为高电平时，在每个CLK为50Hz的上升沿送出一个SCAN窄脉冲；当CTRL为低电平时，延时计数器开始计数，达到某一特定值时才送出一次扫描脉冲信号SCAN。
2.2.4 键值传送模块
    该模块负责把键值信息写入存储器，供应用软件定时查询。当输入端KEYVALUES的值发生改变时，才会发起一次存储器写操作。

3 结束语
    此模块用VHDL硬件描述语言来实现，经过功能、时序仿真后利用QUARTUS Ⅱ软件进行编译并下载到Altera的CYCLONE 1C20开发板上。经过对键盘的实际操作检验，证明此模块可以正常实现键盘扫描和去抖动等功能，能正确地识别每一个按键的动作。同时，若对该模块稍加修改同样可以移植到其他的系统中，这样可以大大减轻CPU的运行负荷，这对大多数对系统资源比较敏感的嵌入式系统来说具有很强的现实意义。