1、    基于CPLD 的矩陣鍵盤掃描模塊設計    基于CPLD 的矩陣鍵盤掃描模塊設計    類別：EDA/PLD      摘要： 為了在不增加CPU 工作負擔的前提下，實現標準鍵盤和矩陣鍵盤雙鍵盤同時工作，提出了一種基于復雜可編邏輯器件（CPLD）的矩陣鍵盤掃描方案，實現了在矩陣鍵盤狀態控制下CPLD 自動完成鍵盤掃描、編碼、輸出的功能，CPU 通過定時器中斷服務程序定時查詢矩陣鍵盤狀態，并將按鍵值直接送入鍵盤

2、緩沖區，供其他程序使用。 給出了CPLD 部分模塊的VHDL 語言實現和仿真波形。在矩陣鍵盤的掃描、編碼、輸出完全不需CPU 控制的前提下，實現標準鍵盤和矩陣鍵盤雙鍵盤同時使用。 在基于PC104 的便攜式野外測試設備的設計中，鍵盤是常用的輸入設備。對于便攜式設備野外工作時，一般使用小型（4×4）矩陣鍵盤就能滿足設備的信息輸入需要； 室內調試時， 使用標準PS2 鍵盤更方便、靈活。一般的做法是保留PC104 的鍵盤接口用于接標準鍵盤， 利用擴展I/O接口完成小矩陣鍵盤的掃描和輸入。這樣做雖然可以實現設備雙鍵盤同時工作的功能， 卻需耗費大量的CPU 處理時間掃描矩陣鍵盤， 造成CPU

3、處理其他信息的能力下降。而本文設計的基于CPLD 的矩陣鍵盤掃描模塊能夠很好地解決上述問題。 1 矩陣鍵盤掃描原理 圖1 給出了4×4 矩陣鍵盤的電路圖， 在圖1 中KX3.0為掃描碼輸入，KY3.0為掃描碼輸出。鍵盤掃描開始時，首先置KX3.0=“0000”；鍵盤掃描碼寄存器和鍵盤掃描碼緩存器Kreg15.0和Kscan15.0置成“1111111111111111” （ 全1為沒有鍵按下，有鍵按下時至少有一位為0），一旦有鍵按下，KY3.0輸出不全為“0”的掃描碼觸發鍵盤掃描功能開始鍵盤掃描，掃描開始后，依次將KX3、KX2、KX1、KX0 置“0”，分別將對應的4 組KY3.0

4、輸入值保存于Kscan15.12、Kscan11.8 、Kscan7.4 、Kscan3.0中，而后比較Kscan 和Kreg 的大小，如果Kscan 小于Kreg，將Kscan 保存于Kreg 中，重復上述掃描過程直到Kscan15.0各位輸出全為“1”時，說明按下的鍵全部抬起，Kreg15.0中的每一個為“0”的位對應一個按下的鍵，保留掃描過程中的Kreg 最小值就可以處理組合鍵。 根據記錄的Kreg 值可以判斷是哪個或哪幾個鍵按下， 據此編碼按鍵值后輸出。將KX3.0置為“0000”，等待下一次按鍵發生。 圖1 4×4 矩陣鍵盤電路圖。 2 基于CPLD 的4×4 矩

5、陣鍵盤掃描模塊設計 根據上述掃描原理和工作流程，如果以PC104 CPU 實現上述矩陣鍵盤的掃描過程， 那么在有鍵按下后，CPU 必須不停地掃描矩陣鍵盤電路，在此期間不能進行其他工作，降低了CPU 工作效率，且CPU 連續高速運轉增加系統功耗。 本文的目的就是在不需要CPU 參與的條件下以CPLD完成矩陣鍵盤按鍵事件觸發、按鍵的掃描定位以及按鍵的編碼和鍵值輸出工作，CPU 只需要定時查詢有無鍵按下并讀走按下鍵的按鍵值送入鍵盤緩沖區。這樣就使CPU 從繁重的矩陣鍵盤掃描工作中解脫出來。根據上述鍵盤掃描工作原理，基于CPLD 的4×4 矩陣鍵盤掃描模塊功能框圖如圖2 所示。 圖2 4&#

6、215;4 矩陣鍵盤掃描模塊CPLD 實現框圖。 圖中， 模塊KeyTri 在時鐘信號CLK 的控制下實現按鍵事件觸發和矩陣鍵盤掃描時序產生功能； 模塊keycode 在時鐘信號CLK 和掃描時序碼SCode 的控制下完成輸出鍵盤掃描碼KX，同時記錄16 位鍵盤掃描數據等工作，并在所有鍵抬起后對按下的鍵編碼完成輸出功能；模塊nread 實現按鍵碼的暫存、按鍵狀態的置位和清除以及矩陣鍵盤的使能；模塊PCPORT 完成矩陣鍵盤與CPU 的接口； 模塊OSC 與CreatClock 產生控制鍵盤掃描模塊工作的3 KHz 時鐘信號CLK。 2.1 鍵盤掃描觸發模塊（KeyTri）的功能與時序仿真 鍵盤

7、掃描過程中，掃描信號不停變化，以判斷鍵盤按鍵的按下和抬起。高速變化的鍵盤掃描信號不僅使系統功耗增加，而且還會對其他敏感電路造成干擾。因此在本設計中將鍵盤掃描模式設計成鍵按下觸發掃描方式，只有當鍵盤有鍵按下后，才觸發鍵盤掃描電路產生掃描鍵盤時序，所有鍵都放開后，停止對鍵盤的掃描，使電路處于相對靜止狀態，以減少對其他電路的干擾。 鍵盤按下時會有抖動，在按鍵抖動時掃描鍵盤，可能會使鍵盤掃描電路產生誤判，因此在鍵盤按下與開始掃描之間應加入一段延時，延時結束后按鍵仍處于按下狀態，才允許開始鍵盤掃描，這樣做可以最大限度地避免掃描電路的誤判和漏判。 鍵盤掃描觸發模塊實現的功能為： 在KX=“0000” 的狀

8、態下，如果有任意一個鍵被按下，KY 必然不全為1，觸發延時功能開始延時，延時結束后，如果KY 仍不全為1，說明該按鍵事件有效， 啟動掃描時序產生1HBH 的4 位循環掃描時序碼，控制后續的鍵盤掃描電路對鍵盤掃描，當ReSet 變低時，立即將掃描時序碼置為0H，停止本次鍵盤掃描并等待下一次鍵盤按下事件到來。鍵盤掃描觸發模塊的VHDL 語言實現如下： 鍵盤掃描觸發模塊的時序仿真如圖3 所示。 圖3 鍵盤掃描觸發模塊的時序仿真。 在圖3 中，和之間的時間為去鍵盤抖動延時，為了方便仿真，此處把延時時間設定為4 個周期，實際使用時，應保持在2030 ms 左右。 2.2 鍵盤掃描與編碼輸出模塊（keyc

9、ode）的功能與時序仿真 所謂鍵盤掃描，就是在鍵盤的KX 端依次送入掃描碼，以便定位被按下的鍵。鍵盤編碼是對鍵盤掃描值譯碼得到按下鍵的按鍵值。 該模塊完成的功能為： 在掃描時序控制碼SCode 3.0和CLK 的下降沿控制下依次輸出4 組掃描碼“0111”、“1011”、“1101”、“1110”掃描整個鍵盤，同時記錄鍵盤的掃描值，將記錄的4 組掃描值組合成一組16 位的鍵盤掃描值Kscan 15.0，如果Kscan15.0 小于Kreg15.0， 將Kscan15.0 保存于Kreg15.0中，當所有鍵放開后，對Kreg15.0譯碼產生按鍵編碼并輸出。有一個鍵按下，16 位的鍵盤掃描值中有且

10、只有一位為0，多鍵組合按下時，鍵盤掃描值中就會有多個位為0，因此在鍵盤掃描過程中，記錄最小的鍵盤掃描值，使得掃描模塊不僅能夠處理單鍵，而且可以處理多鍵組合。具體工作過程說明如下： 當SCode 3.0=0 時，KX=“0000”， 置16 位鍵盤掃描值Kscan15.0和Kreg15.0為全1，此時無論哪一個鍵按下，都可使KY 不全為1，從而觸發掃描模塊工作；當SCode3.0=1 或2 時，KX=“0111”，此時圖1 中K12K15 有按下的鍵時， KY 對應位為0，其他位為1，記錄KY到鍵盤掃描碼寄存器的Kreg15.12；當SCode3.0=3 或4 時，KX=“1011”，此時圖1

11、中K08K11 有按下的鍵時， KY 對應位為0，其他位為1，記錄KY到鍵盤掃描碼寄存器的Kreg11.8；當SCode3.0=5 或6 時，KX=“1101”，此時圖1 中K04K07 有按下的鍵時， KY 對應位為0，其他位為1，記錄KY到鍵盤掃描碼寄存器的Kreg7.4；當SCode3.0=7 或8 時，KX=“1110”，此時圖1 中K00K03 有按下的鍵時， KY 對應位為0，其他位為1，記錄KY到鍵盤掃描碼寄存器的Kreg3.0；當SCode3.0=9 和10 時，如果Kscan15.0各位不全為“1” 且Kscan15.0< Kreg15.0， 將Kscan15.0 保存

12、到Kreg15.0；否則對Kreg15.0譯碼產生按鍵編碼并輸出；當SCode3.0=11 且記錄Kscan15.0各位為全“1”時，產生鍵盤復位信號ReSet，結束本次鍵盤掃描。 鍵盤掃描與編碼輸出模塊的核心模塊VHDL 語言實現如下： 鍵盤掃描與編碼輸出模塊的時序仿真圖如圖4 所示。 圖4 鍵盤掃描與編碼模塊的時序仿真。 2.3 鍵盤編碼輸出模塊（nread）的功能與時序仿真 在該模塊中，KeyData 的最高位KeyData（7）為鍵盤緩存狀態指示位，當KeyData（7）=0時，表示鍵盤緩存中沒有按鍵碼；當KeyData（7）=1時，表示鍵盤緩存中有按鍵碼等待CPU 讀取。KeyDat

13、a6.0為按下鍵的編碼。ReSet 的下降沿用于將KeyVal6.0存入KeyData6.0，同時將KeyData（7）置成1。enKeyOut 用于使能矩陣鍵盤輸出，當enKeyOut=1時，允許矩陣鍵盤輸出按鍵碼；當enKeyOut=0時，禁止矩陣鍵盤輸出按鍵碼。ClrKey 用于清除鍵盤緩存狀態指示位KeyData（7），當ClrKey=0時，置KeyData（7）為0。 鍵盤編碼輸出模塊的VHDL 語言實現如下： 鍵盤編碼輸出模塊的時序仿真圖如圖5 所示。 圖5 鍵盤編碼輸出模塊的時序仿真。 2.4 接口模塊（PCPORT）的功能與時序仿真 該模塊用于實現CPU 讀入鍵盤碼以及矩陣鍵盤

14、控制信號的輸出。開始時，CPU 首先應通過該模塊送出OSCEn=1 信號， 使振蕩器模塊（OSC） 和時鐘產生模塊（CreatClock）開始工作，產生驅動掃描模塊工作的時鐘信號F3kHz；接下來送出鍵盤禁止信號enKeyOut=0；禁止矩陣鍵盤在穩定工作前隨機輸出按鍵值； 其次送出清除鍵盤緩存狀態指示位的ClrKey 信號； 最后再送出鍵盤使能信號enKeyOut=1，開始模塊掃描鍵盤工作。接口模塊的時序仿真圖如圖6 所示。 圖6 接口模塊的時序仿真。 2.5 其他模塊的功能 振蕩器模塊（OSC） 為利用Altera 公司的IP 核產生的MAXII 系列CPLD 內帶的振蕩器， 用于在使能信

15、號的控制下產生3.3 MHz 的時鐘輸出。 時鐘產生模塊（CreatClock），用于將3.3 MHz 的時鐘分頻產生3 KHz 的鍵盤掃描時鐘，驅動整個鍵盤掃描模塊工作。 3 控制軟件的設計 本文軟件設計的基本思想是：CPU 利用定時中斷查詢矩陣鍵盤狀態并讀入矩陣鍵盤的按鍵碼，如果按鍵碼為需要立即響應的特殊功能鍵（如熱啟動鍵），即在中斷服務程序中作出處理，否則直接送入與標準鍵盤共用的鍵盤緩沖區，在鍵盤緩沖區與標準鍵盤送來的按鍵碼一起排隊等待CPU 響應處理，從而實現雙鍵盤同時工作。在向鍵盤緩沖區寫入按鍵值時，必須使用DOS 軟中斷，否則會由于中斷優先級的原因而使新寫入的按鍵碼得不到響應。 矩

16、陣鍵盤的控制軟件采用C 語言編制，利用PC104 的定時器中斷定時查詢矩陣鍵盤， 如果有鍵值， 將其存入PC104 的鍵盤緩沖區，等待PC104 使用?？刂瞥绦虻脑创a如下： 4 測試結果 本文所述的鍵盤掃描模塊已經在多功能電法接收機中使用，在使用過程中對矩陣鍵盤的響應時間、準確度、CPU 處理時間占用、以及雙鍵盤同時工作性能等指標進行了測試分析，結果如下： 1）矩陣鍵盤響應時間和準確度測試，理論上計算矩陣鍵盤的最短響應時間為T=t1+t2+t3+t4=55.9 ms（其中，t1為防抖動延時時間30 ms; t2鍵盤掃描最短用時， 共掃描2 次用22 個F3 kHz 時鐘周期6.6 ms; t3

17、為鍵盤值暫存時間，3 個F3kHz 時鐘周期1 ms； t4為查詢鍵盤中斷間隔18.3 ms）， 考慮到操作鍵盤的速度， 測試方法為全部16 個鍵以3 次/s 的速度連續按6 次，間隔5 s 換一個鍵，將鍵值輸出到顯示器觀察輸入情況，測試結果為：總按鍵數：96；顯示按鍵數：96；漏判按鍵數：0；錯判按鍵數：0；準確率：100%。 2）矩陣鍵盤占用CPU 時間分析，通過對矩陣鍵盤按鍵值的讀入程序分析可知， 當允許矩陣鍵盤輸出且有鍵按下時，每次中斷服務程序需要額外執行8 條語句， 大約用時4 s；當允許矩陣鍵盤輸出且沒有鍵按下時，每次中斷服務程序需要額外執行3 條語句，大約用時1.5 s；與CPU 完成矩陣鍵盤掃描工作（假設從鍵按下到釋放一般用時300 ms）相比，一次按鍵讀入CPU 占用時間節省99.998%。 3）雙鍵盤同時工作測試，測試方法將矩陣鍵盤和標準鍵盤同時接入系統， 按1 次/s 的速度交替按兩鍵盤的按鍵100個，在顯示器上觀察按鍵輸出情況，得出雙鍵盤工作可靠性數據如下: 總按鍵數：200；顯示按鍵數200；漏判按鍵數：0；錯判按鍵數：0；準確率：100%。因此，該模塊可以實現雙鍵盤同時工作。 5 結論 該模塊經過測試和使用，得出如下結論：1）基于CPLD 的矩陣鍵