基于FPGA的 矩阵键盘按键识别 【原理+源码】

news2025/1/20 18:28:42

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引言

原理阐述

实现方法

源码分享

板级调试演示

引言

最近了解了矩阵键盘扫描的原理，动手实现了一下，在这里做一个简单的总结。

原理阐述

矩阵键盘典型电路：

FPGA的应用电路：

其中，行信号为FPGA输入信号，列信号为FPGA输出信号。 

原理解释： 

  1. 起始状态，FPGA的列信号输出 全0 低电平；
  2. 没有任何按键按下时，FPGA接收到的 行信号 为 全1 高电平；
  3. 当有按键按下时，被按下的按键所在行变为低电平，此时便可以开启一次检测行为；
  4. 由于机械按键固有的振动特性，需要延迟约20毫秒后再次确认是否有按键按下；
  5. 如果20毫秒延迟后，依然检测到有按键按下，则认为按键按下有效，开始逐列扫描；
  6. 逐列扫描时，当前正在扫描的列，FPGA需输出低电平，其他列则输出高电平；
  7. 列扫描完毕就可以确定按键所在行列，进一步确定按键的数值；
  8. 列输出信号输出全0低电平，等待按键释放（条件是行输入信号全为高电平）。释放后回归空闲状态。完成一次按键检测。

实现方法

对于这种程序化的检测流程，状态机很适合做这个事情。我选择的状态机实现。代码贴在下面，可以仔细阅读~

源码分享

// | ===================================================---------------------------===================================================
// | ---------------------------------------------------   矩阵键盘按键检测设计	   ---------------------------------------------------
// | ===================================================---------------------------===================================================
// | 创建时间 : 2022-12-19
// | 完成时间 : 2022-12-19
// | 作    者 ：Xu Y. B.(CSDN 用户名：在路上，正出发)
// | 功能说明 ：
// |			-1- 输出数据按照 16进制 0~F编码
// |			-2- 时钟频率可变更
// |
// | ================================= 		模块修改历史纪录 	  =================================
// | 修改日期：
// | 修改作者：
// | 修改注解：

`timescale 1ns/1ps


module MATRIX_KEYBOARD_DETECT_MDL#(
// | ====================================  模块可重载参数声明  ====================================
parameter		P_CLK_FREQ				=				32'd50_000_000 //时钟频率 单位 ：Hz

)(

// | ==================================== 模块输入输出端口声明 ==================================== 
input 												   	I_SYS_CLK  ,
input												   	I_SYS_RSTN ,

input 				[3:0]								I_ROW	   ,
output 	reg			[3:0]								O_COL      ,

output 	reg												O_KEYBOARD_VAL,
output 	reg			[3:0]								O_KEYBOARD_DATA

    );
// | ====================================   模块内部参数声明   ====================================
localparam 			LP_DLY_20MS_CNT_MAX		=			FUNC_CAL_DLY_20MS_CNT_MAX(P_CLK_FREQ);
localparam          LP_20MS_CNT_WIDTH		=			$clog2(LP_DLY_20MS_CNT_MAX);
// | 状态编码
localparam 			LP_ST_IDLE				=			5'b00001;//空闲
localparam 			LP_ST_DLY				=			5'b00010;
localparam 			LP_ST_ROW				=			5'b00100;//行
localparam			LP_ST_COL				=			5'b01000;//列
localparam 			LP_ST_RLS				=			5'b10000;//按键释放检测

// | ====================================   模块内部信号声明   ====================================
// 20ms计数
reg 				[LP_20MS_CNT_WIDTH-1:0] 			R_20MS_CNT;
// 状态信号
reg 				[4:0]								R_CS;

// 下降边沿
reg					[1:0]								R_NDG_DETECT;
wire													W_NDG_ROW;
// 寄存
reg					[3:0]								R_ROW;	 
reg					[3:0]								R_COL;
// wire													W_ROW_0; 
reg 													R_ROW_0; 
reg 				[2:0]								R_CNT_4;							



// | ====================================   模块内部逻辑设计   ====================================
// | 边沿
always @ (posedge I_SYS_CLK)
begin
	if(~I_SYS_RSTN)
	begin
		R_NDG_DETECT <= 2'b00;
	end
	else
	begin
		R_NDG_DETECT[0] <= &I_ROW ;
		R_NDG_DETECT[1] <= R_NDG_DETECT[0];
	end
end
assign W_NDG_ROW = !R_NDG_DETECT[0] & R_NDG_DETECT[1];


/*assign 	W_ROW_0 = (R_ROW == 4'b1110) ? I_ROW[0] : 
				  (R_ROW == 4'b1101) ? I_ROW[1] : 
				  (R_ROW == 4'b1011) ? I_ROW[2] :
				  (R_ROW == 4'b0111) ? I_ROW[3] : 1'b1;*/
always @ (*)
begin
	if(~I_SYS_RSTN)
	begin
		R_ROW_0 = 1'b0;
	end
	else
	begin
		case(R_ROW)
			4'b1110:
			begin
				R_ROW_0 = I_ROW[0];
			end
			4'b1101:
			begin
				R_ROW_0 = I_ROW[1];
			end
			4'b1011:
			begin
				R_ROW_0 = I_ROW[2];
			end
			4'b0111:
			begin
				R_ROW_0 = I_ROW[3];
			end
			default:
			begin
				R_ROW_0 = 1'b1;
			end
		endcase
	end
end

// | 状态机
always @ (posedge I_SYS_CLK)
begin
	if(~I_SYS_RSTN)
	begin
		R_20MS_CNT 		  <= {(LP_20MS_CNT_WIDTH){1'b0}};
		O_COL			  <= 4'b0000;
		R_ROW			  <= 4'b0000;
		R_COL			  <= 4'b0000;
		R_CNT_4           <= 3'd0;
		R_CS              <= LP_ST_IDLE;
	end
	else
	begin
		case(R_CS)
			LP_ST_IDLE:
			begin
				R_20MS_CNT 		  <= {(LP_20MS_CNT_WIDTH){1'b0}};
				O_COL			  <= 4'b0000;
				R_ROW			  <= 4'b0000;
				R_COL			  <= 4'b0000;
				R_CNT_4           <= 3'd0;

				if(W_NDG_ROW)
				begin
					R_CS <= LP_ST_DLY;
				end
				else
				begin
					R_CS <= LP_ST_IDLE;
				end
			end
			LP_ST_DLY:
			begin
				if(R_20MS_CNT == LP_DLY_20MS_CNT_MAX)
				begin
					R_20MS_CNT   <= {(LP_20MS_CNT_WIDTH){1'b0}};
					R_CS         <= LP_ST_ROW;
				end
				else
				begin
					R_20MS_CNT   <= R_20MS_CNT + 1;
					R_CS         <= LP_ST_DLY;
				end
			end
			LP_ST_ROW:
			begin
				if(!(&I_ROW))
				begin
					R_ROW 	   		  <= I_ROW;
					O_COL			  <= 4'b1110;
					R_CS 			  <= LP_ST_COL;
				end
				else
				begin
					R_ROW	   		  <= 4'b0000;
					O_COL			  <= 4'b0000;
					R_CS              <= LP_ST_IDLE;
				end

				R_COL			  <= 4'b0000;
			end
			LP_ST_COL://暂不考虑列扫描失败 ， 即列扫描 4 次结束后，无法定位列索引
			begin
				if(~R_ROW_0)
				begin
					O_COL			  <= 4'b0000;
					R_COL			  <= O_COL;
					R_CNT_4           <= 3'd0;
					R_CS              <= LP_ST_RLS;
				end
				else if(R_CNT_4 == 3'd4)
				begin
					O_COL			  <= 4'b0000;
					R_CNT_4			  <= 3'd0;
					R_CS              <= LP_ST_IDLE;
				end
				else
				begin
					O_COL			  <= {O_COL[2:0],O_COL[3]};
					R_COL			  <= 4'b0000;
					R_CNT_4           <= R_CNT_4 + 1;
					R_CS              <= LP_ST_COL;
				end

				R_20MS_CNT 		  <= {(LP_20MS_CNT_WIDTH){1'b0}};
				R_ROW			  <= R_ROW;
			end
			LP_ST_RLS:
			begin
				if(&I_ROW)
				begin
					R_CS              <= LP_ST_IDLE;
				end
				else
				begin
					R_CS              <= LP_ST_RLS;
				end

				R_20MS_CNT 		  <= {(LP_20MS_CNT_WIDTH){1'b0}};
				O_COL			  <= 4'b0000;
				R_ROW			  <= R_ROW;
				R_COL 			  <= R_COL;
			end
			default:
			begin
				R_20MS_CNT 		  <= {(LP_20MS_CNT_WIDTH){1'b0}};
				O_COL			  <= 4'b0000;
				R_CS              <= LP_ST_IDLE;
			end
		endcase
	end
end

always @ (posedge I_SYS_CLK)
begin
	if(~I_SYS_RSTN)
	begin
		O_KEYBOARD_VAL  <= 1'b0;
		O_KEYBOARD_DATA <= 4'd0;
	end
	else
	begin
		if(R_CS[4] & (&I_ROW))
		begin		
			case(R_ROW)
				4'b1110:
				begin
					O_KEYBOARD_VAL <= 1'b1;

 					if(((~R_COL) >> 1) == 4'b0100)
 					begin
 						O_KEYBOARD_DATA <= 4'd3;
 					end
 					else
 					begin
 						O_KEYBOARD_DATA <= (~R_COL) >> 1;
 					end
				end
				4'b1101:
				begin
					O_KEYBOARD_VAL <= 1'b1;

 					if(((~R_COL) >> 1) == 4'b0100)
 					begin
 						O_KEYBOARD_DATA <= 4'd3 + 4'd4;
 					end
 					else
 					begin
 						O_KEYBOARD_DATA <= ((~R_COL) >> 1) + 4'd4;
 					end
				end
				4'b1011:
				begin
					O_KEYBOARD_VAL <= 1'b1;

 					if(((~R_COL) >> 1) == 4'b0100)
 					begin
 						O_KEYBOARD_DATA <= 4'd3 + 4'd8;
 					end
 					else
 					begin
 						O_KEYBOARD_DATA <= ((~R_COL) >> 1) + 4'd8;
 					end
				end
				4'b0111:
				begin
					O_KEYBOARD_VAL <= 1'b1;

 					if(((~R_COL) >> 1) == 4'b0100)
 					begin
 						O_KEYBOARD_DATA <= 4'd3 + 4'd12;
 					end
 					else
 					begin
 						O_KEYBOARD_DATA <= ((~R_COL) >> 1) + 4'd12;
 					end
				end
				default:
				begin
					O_KEYBOARD_VAL  <= 1'b0;
					O_KEYBOARD_DATA <= 4'd0;
				end
			endcase
		end
		else
		begin
			O_KEYBOARD_VAL  <= 1'b0;
			O_KEYBOARD_DATA <= 4'd0;			
		end
	end
end
// | ====================================   模块内部函数设计   ====================================
// | 函数功能：根据时钟频率计算20ms延迟对应计数器计数的峰值
function integer FUNC_CAL_DLY_20MS_CNT_MAX ;
	input integer I_ITG_CLK_FREQ;
	integer ITG_1G ,ITG_20MS ,ITG_CLK_PERIOD;
	begin
		ITG_1G   = 10**9;
		ITG_20MS = 20*(10**6);
		ITG_CLK_PERIOD            = ITG_1G / I_ITG_CLK_FREQ;
		FUNC_CAL_DLY_20MS_CNT_MAX = ITG_20MS / ITG_CLK_PERIOD;
	end
endfunction 

endmodule

一般来说，矩阵键盘通常没有上拉电阻，所以需要在FPGA的约束中对行输入引脚添加上拉约束。例：

 

以上的代码中，没有对按键释放的过程做震动延迟处理，稳妥起见还是在按键松起释放时，增加一个20毫秒的延迟，读者可以自行改进。 

板级调试演示

点击链接进入观看：

矩阵键盘扫描+三线制数码管驱动显示icon-default.png?t=M85Bhttps://live.csdn.net/v/264596

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