設計背景：

矩陣鍵盤在工程設計越來越多的被用到，已然成為了我們做開發接觸到的不可缺少的小型項目，利于我們理解設計方向的原理為以后的強化學習打好了堅實的基礎。

設計原理:

在使用按鍵的時候，如果按鍵不多的話，我們可以直接按鍵與FPGA相連接，但是如果按鍵比較多的時候，如何還繼續使用直接按鍵與FPGA相連接的話，所會大量增加FPGA端口的消耗，為了減少FPGA端口的消

耗，我們可以把按鍵設計成矩陣的形式，就如下圖所示：

由上圖可以知道，矩陣鍵盤的行row（行）與col（列）的交點，都是通過一個按鍵來相連接。傳統的一個按鍵一個端口的方法，若要實現16個按鍵，則需要16個端口，而現在這個矩陣鍵盤的設計，16個按鍵，僅僅需要8個端口，如果使用16個端口來做矩陣鍵盤的話，可以識別64個按鍵，端口的利用率遠遠比傳統的設計好的多，所以如果需要的按鍵少的話，可以選擇傳統的按鍵設計，如果需要的按鍵比較多的話，可以采用這種矩陣鍵盤的設計。而我們現在就以掃描法為例來介紹矩陣鍵盤的工作原理。

首先col（列）是FPGA給矩陣鍵盤輸出的掃描信號，而row（行）是矩陣鍵盤反饋給FPGA的輸入信號，用于檢測哪一個按鍵被按下來，如下圖所示：

詳細如上圖所示，FPGA給出掃描信號COL[3:0]，COL=4’b0111，等下一個時鐘周期COL=4’b1011，再等下一個時鐘周期COL=4’b1101，再等下一個時鐘周期COL=4’b1110，再等下一個時鐘周期COL=4’b0111，COL就是這樣不斷循環，給矩陣鍵盤一個低電平有效的掃描信號，當FPGA給矩陣鍵盤COL掃描信號的同時，FPGA也要在檢測矩陣鍵盤給FPGA的的反饋信號ROW，舉個例子，假若矩陣鍵盤中的9號案件被按下了：

當COL=4’b1101，ROW=4’b1011；

當9號按鍵被按下的時候，9號按鍵的電路就會被導通，掃描電路COL開始掃描，當掃描到COL[1]的時候，由于9號按鍵的電路被導通了，COL[1]的電壓等于ROW[2]的電壓，所以會出現當COL=4’b1101的時候ROW=4’b1011；然后我們就可以利用這一種現象，來設計一個識別按鍵的電路。

設計架構圖:

設計代碼:

設計模塊

0modulekey_borad(clk,rst_n,row,col,key_num);

1inputclk;

2inputrst_n;

3input[3:0]row;//輸入反饋信號

4

5

6outputreg[3:0]col;//輸出掃描信號

7outputreg[3:0]key_num;//按鍵值得輸除

8

9reg[15:0]count;

10

11parameterT1ms=50000;//掃描的時間間隔50000*20ns

12//parameterT1ms=5;

13

14regflag;

15always@(posedgeclkornegedgerst_n)

16if(!rst_n)

17begin

18count<=16'd0;

19flag<=1'b0;

20end

21else

22begin

23if(count

24begin

25count<=count+1'b1;

26flag<=0;

27end

28else

29begin

30flag<=1'b1;//計數到了就給一個標志位

31count<=16'b0;

32end

33end

34always@(posedgeclkornegedgerst_n)

35if(!rst_n)

36begin

37col<=4'b0111;

38end

39else

40begin

41if(flag)

42col<={col[2:0],col[3]};//列掃描

43else

44col<=col;

45end

46

47//鍵值得翻譯模塊

48always@(posedgeclkornegedgerst_n)

49if(!rst_n)

50key_num=4'd0;

51else

52case({row,col})//位拼接行和列的信號，翻譯出對應的鍵值

538'b0111_0111:key_num=4'hf;

548'b0111_1011:key_num=4'he;

558'b0111_1101:key_num=4'hd;

568'b0111_1110:key_num=4'hc;

57

588'b1011_0111:key_num=4'hb;

598'b1011_1011:key_num=4'ha;

608'b1011_1101:key_num=4'h9;

618'b1011_1110:key_num=4'h8;

62

638'b1101_0111:key_num=4'h7;

648'b1101_1011:key_num=4'h6;

658'b1101_1101:key_num=4'h5;

668'b1101_1110:key_num=4'h4;

67

688'b1110_0111:key_num=4'h3;

698'b1110_1011:key_num=4'h2;

708'b1110_1101:key_num=4'h1;

718'b1110_1110:key_num=4'h0;

72default:;

73endcase

74endmodule

測試模塊

0`timescale1ns/1ps

1

2modulekey_borad_tb();

3regclk;

4regrst_n;

5reg[4:0]pressnum;//按鍵的值

6wire[3:0]row;

7

8wire[3:0]col;

9wire[3:0]key_num;//輸出的值

10

11initialbegin

12clk=1'b1;

13rst_n=1'b0;

14pressnum=5'd16;

15

16#200.1

17rst_n=1'b1;

18#1000

19pressnum=5'd16;

20

21#1000

22pressnum=5'd8;

23

24#1000

25pressnum=5'd16;

26

27#1000

28pressnum=5'd15;

29#1000

30pressnum=5'd16;

31#1000

32$stop;

33

34end

35always#10clk=~clk;

36//例化對應的模塊

37key_topborad_dut(

38.clk(clk),

39.rst_n(rst_n),

40.row(row),

41.col(col),

42.key_num(key_num)

43);

44yingjianyingjian_dut(//硬件檢測電路//此模塊自己可以設計

45.clk(clk),

46.rst_n(rst_n),

47.col(col),

48.row(row),

49.pressnum(pressnum)

50);

51endmodule

仿真圖:

在仿真圖中可以清晰的看出當按鍵按下的時候為8，顯示出來的鍵值也為8，當抬起的時候為16，那么鍵值就保持不變，在設置的時候我們設置的是按鍵抬起為16，通過驗證我們得到我們的設計是正確的。