基于FPGA的4x4矩阵键盘驱动设计---第一版

欢迎各位朋友关注“郝旭帅电子设计团队”，本篇为各位朋友介绍基于FPGA的4x4矩阵键盘驱动设计---第一版

功能说明：

1. 驱动4x4矩阵键盘：按下任意一个按键，解析出对应按键信息，并给出标志

使用平台：纯代码形式

使用语言：Verilog HDL

作者QQ：746833924

说明：本篇设计中不涉及到IP和原语，代码在其他平台依然可以适用；当其他板卡电路不同时，会导致不同的现象出现，如有需要修改代码请联系作者；如需作者使用的板卡，请联系作者；

4x4矩阵键盘实物图如下：

电路原理图如下：

注：此电路设计按照四角按键设计，按键按下时，对角导通；按键释放时，对角不导通。

矩阵键盘驱动检测原理：

根据矩阵键盘排布的方式可以看到：对外引出了四根行线，四根列线；当有按键闭合时，所在的行线和列线就会导通。

主控芯片控制输出列线，然后检测行线（也可以反过来控制和检测）。

每次按键按下只有一个按键按下。

控制最后一列为低电平，其他列为高电平；如果此时最后一列有按键按下，那么对应的行线将会检测到低电平；此时根据最后一列和检测到行线的情况即可推断出对应的按键。如果最后一列没有按键按下，那么此时行线全部为高电平。

最后一列检测完毕后，可以控制倒数第二列为电平，方式同上。

四列全部检测完毕即可检测出来按键闭合的位置，根据位置译码出对应的标志即可。

假设K1闭合；第四列为低电平，此时行线全部为高电平；第三列为低电平，此时行线全部为高电平；第二列为低电平，此时第一行线为电平，其他行线为高电平；此时即可得出第二列，第一行有按键闭合。

设计思想如下：

根据上述原理，我们增加一些设计考虑。

1. 矩阵键盘并不是一直在使用，或者说使用的时间较少，因此不建议一直处于扫描状态（不断切换列为低电平）。带来的问题：功耗增加、增加CPU的运行负担（FPGA不增加负担）等等。解决方案：先给所有列为低电平，检测行线情况，如果有按键闭合，行线将会不全为高电平，此时进行扫描，并且扫描到就退出，等待下一次有按键闭合；如果没有按键闭合，行线一直都为高电平，则此时一直等待即可。

2. 矩阵键盘的按键在闭合时会有一定的抖动，所以要增加按键消抖机制。

本设计利用状态机设计进行实现。共有八个状态。

localparam          STATE_OFF             =   9'b00000_0001;  
localparam          STATE_ON_SHAKE        =   9'b00000_0010;  
localparam          STATE_OUT_SCAN        =   9'b00000_0100;  
localparam          STATE_SCAN_WAIT0      =   9'b00000_1000;  
localparam          STATE_SCAN_WAIT1      =   9'b00001_0000;  
localparam          STATE_SCAN_WAIT2      =   9'b00010_0000;  
localparam          STATE_SCAN_WAIT3      =   9'b00100_0000;  
localparam          STATE_CHECK_PRESS     =   9'b01000_0000;  
localparam          STATE_OFF_SHAKE       =   9'b10000_0000;

复位结束后，在OFF状态。此时列全部为低电平，如果没有按键闭合，则行线一直全部为高电平，保持OFF状态；如果有按键闭合，则行线就不全为高电平，此时进入ON_SHAKE状态，在此状态中，列全部为低电平，检测行线是不是一直不全为高电平，如果按键有抖动，则行线会变为全部高电平，此时回到OFF状态；当行线一直不全为高电平保持10ms或者20ms，则认为按键无抖动，之后进入OUT_SCAN状态；

在OUT_SCAN状态输出单列为低电平，等待四个状态即等待四个时钟周期：用于输出行线的同步（STATE_SCAN_WAIT0、STATE_SCAN_WAIT1、STATE_SCAN_WAIT2、STATE_SCAN_WAIT3），在CHECK_PRESS状态监测行线，判断是否为全高，即监测此列是否有按键闭合。如果有按键闭合，则记录行列情况；如果没有按键按下，则返回OUT_SCAN状态，进行下一列监测。如果监测完四列没有发现有按键按下，则也跳出。

在OFF_SHAKE状态，是检测按键放开的抖动，原理和检测按下的抖动类似。

    always @ * begin
    case (c_state)
      STATE_OFF           :     n_state = (row_rr == 4'hf) ? STATE_OFF : STATE_ON_SHAKE;
      STATE_ON_SHAKE      :     n_state = (row_rr == 4'hf) ? STATE_OFF : (cnt_10ms < T_10ms - 1'b1) ? STATE_ON_SHAKE : STATE_OUT_SCAN;
      STATE_OUT_SCAN      :     n_state = STATE_SCAN_WAIT0;
      STATE_SCAN_WAIT0    :     n_state = STATE_SCAN_WAIT1;
      STATE_SCAN_WAIT1    :     n_state = STATE_SCAN_WAIT2;
      STATE_SCAN_WAIT2    :     n_state = STATE_SCAN_WAIT3;
      STATE_SCAN_WAIT3    :     n_state = STATE_CHECK_PRESS;
      STATE_CHECK_PRESS   :     n_state = (row_rr == 4'hf) ? (keyboard4x4_col == 4'b0111) ? STATE_OFF : STATE_OUT_SCAN : STATE_OFF_SHAKE;
      STATE_OFF_SHAKE     :     n_state = (row_rr == 4'hf && cnt_10ms == T_10ms - 1'b1) ? STATE_OFF : STATE_OFF_SHAKE;
      default             :     n_state = STATE_OFF;
    endcase
  end

根据上述的状态机，我们就可以找出来对应的行列位置。

  always @ (posedge clk) begin
    if (rst_n == 1'b0)
      row_col <= 8'd0;
    else
      if (c_state == STATE_CHECK_PRESS && row_rr != 4'hf)
        row_col <= {row_rr, keyboard4x4_col};
      else
        row_col <= row_col;
  end

然后根据行列位置进行译码出对应的按键值。

  always @ (posedge clk) begin
    if (rst_n == 1'b0)
      key_num <= 4'd0;
    else
      case (row_col)
        8'b1110_1110    : key_num <= 4'd0;
        8'b1110_1101    : key_num <= 4'd1;
        8'b1110_1011    : key_num <= 4'd2;
        8'b1110_0111    : key_num <= 4'd3;

        8'b1101_1110    : key_num <= 4'd4;
        8'b1101_1101    : key_num <= 4'd5;
        8'b1101_1011    : key_num <= 4'd6;
        8'b1101_0111    : key_num <= 4'd7;

        8'b1011_1110    : key_num <= 4'd8;
        8'b1011_1101    : key_num <= 4'd9;
        8'b1011_1011    : key_num <= 4'd10;
        8'b1011_0111    : key_num <= 4'd11;

        8'b0111_1110    : key_num <= 4'd12;
        8'b0111_1101    : key_num <= 4'd13;
        8'b0111_1011    : key_num <= 4'd14;
        8'b0111_0111    : key_num <= 4'd15;

        default         : key_num <= 4'd0;
      endcase
  end

使用时，根据标志是否为高以及对应的数值即可知道是是否有按键按下，并且知道是那个按键按下。

此项仿真较难，由于输入和输出有一定的相关关系，所以在仿真时，需要设计矩阵键盘的仿真模型keyboard4x4（下面链接会提供源码）。

  keyboard4x4_drive keyboard4x4_drive_inst(

      .clk                          (clk            ),        //  100MHz
      .rst_n                        (rst_n          ),

      .keyboard4x4_row              (keyboard4x4_row),
      .keyboard4x4_col              (keyboard4x4_col),

      .key_num                      (key_num        ),
      .flag_key                     (flag_key       )
    );

  keyboard4x4 keyboard4x4_inst(

      .press_num                    (press_num      ),

      .keyboard4x4_col              (keyboard4x4_col),
      .keyboard4x4_row              (keyboard4x4_row)
    );

利用task语句模拟按键的抖动和按下。

initial begin
    rst_n = 1'b0;
    press_num = 5'd16;
    # 1001
    rst_n = 1'b1;

    # 2000;
    press_data(5'd15);
    press_data(5'd14);
    press_data(5'd13);
    press_data(5'd12);
    press_data(5'd11);
    press_data(5'd10);
    press_data(5'd9);
    press_data(5'd8);
    press_data(5'd7);
    press_data(5'd6);
    press_data(5'd5);
    press_data(5'd4);
    press_data(5'd3);
    press_data(5'd2);
    press_data(5'd1);
    press_data(5'd0);

    $stop;
  end

  task press_data;
    input   [4:0]   data;

    begin
      repeat (5) begin
        press_num = data;
        # 10000;
        press_num = 5'd16;
        # 10000;
      end

      press_num = data;
      # 15_000_000;

      repeat (5) begin
        press_num = data;
        # 10000;
        press_num = 5'd16;
        # 10000;
      end

      press_num = 5'd16;
      # 30_000_000;

    end
  endtask

在press_num给16，即表示按键的释放。通过快速释放和按下，模拟的抖动。

通过仿真图可以看出来，我们检测出来了正确的结果。

下板测试的话，我们可以将矩阵键盘与FPGA连接好，然后将检测出来的值放到数码管或者led上，用于显示数值，在此我选择led（因为懒的写数码管了）。

按下按键K6后，四个led呈现灭亮亮灭；led的驱动原理为高电平点亮，低电平熄灭；故而此时为0110，即为数字6。

按下其他的按键也可以正确显示，故而验证设计正确。

文章同款矩阵键盘购买链接：

https://item.taobao.com/item.htm?abbucket=10&id=796054801643&ns=1&priceTId=215044ff17157343140338659e0404&spm=a21n57.1.item.14.1d4a523cRO1waY

讲解和演示视频链接如下：
https://www.bilibili.com/video/BV1YH4y1u7ye/?vd_source=b5405faeab8632f02533bcbfc5e52e55

本设计所有内容（设计代码、设计工程）链接为：

链接：https://pan.baidu.com/s/1x9pP6Z0gGkR77XG8kFXvRA

提取码：mroh

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