根据VHDL的键盘扫描及显示电路

广西工学院

EDA 课程设计

说明书

设计题目基于VHDL的键盘扫描

及显示电路

系别电控系

专业班级__________________

学生姓名__________________

学号__________________

指导教师__________________

日期__________________

基于VHDL的键盘扫描及显示电路一、工作原理：

可编程器件的KEY_HANG[3..0]行信号输出端不停循环输出“1110”“1101”“1011”“0111”。当没有键按下时可编程器件的KEY_LIE[3..0]列信号输入端检测到的是“1111”。当有按键按下时，如按下1，此时KEY_HANG[3..0]行信号输出为“0111”，即KEY_HANG[3..0]的3管脚为“0”，可由电路看出，此时输入端KEY_LIE[3..0]检测到的将是“0111”。KEY_LIE[3..0]的3管脚为0，可以在编写程序时，将输出信号KEY_HANG[3..0]与输入信号KEY_LIE[3..0]同时判断，比如可以认为当数据“KEY_HANG&KEY_LIE”为“01110111”时，可译码成数据1,。同理可得其他按键的编码。根据不同数据的编码译成不同的数据。

名称IO属性描述备注

clk in 输入时钟，１Ｋ和４０Ｋ频

率

KEY_HANG[3..0]ｏｕｔ矩阵键盘的扫描输入端口

KEY_LIE[3:0] ｉｎ矩阵键盘的扫描输出端口START out 数据输出标志

DISP out 数码管译码显示译码７bit

DATA[6..0] 输出

DASP SEL[1..0] ｏｕｔ数码管扫描输出２ｂｉｔ

二、设计思路：

1.循环输出行信号，检测列信号输入，将行列信号相并。

2.译键值。

３．去抖动。在译没一个键值后，为了防止抖动，加了一个计算环节，一旦检测到列信号后，译码，紧跟着进入计数环节，此时键抖动不会进入其他环节，这样可以防止抖动。

４．数码管译码、循环显示。

电路的具体功能罗列如下：

1) 采用4×4矩阵键盘作为操作数和操作符的输入设备。

2) 采用2位8段数码管作为输出显示设备，显示按下的数字及简单的功能。

3) 由于所有键盘在按下或者弹起的时候均有按键抖动，所以应该采用去抖电路，当检测到有按键按下去的时候，应该延时20ms后，再进行检测，如果仍有键盘按键被按下去的话，则进行键盘读值。

矩阵键盘模块key_4_4的RTL电路图如下所示。

当CLK_1K上升沿到来时状态转为state0，然后判断列与非后的值，看是否有按键按下，如果有输入数据，则自动启动20ms的计数器，当计满数后，产生一个指示信号，此信号为1bit，高电平有效。当读到此指示信号后，便再次将row信号锁存至寄存器，便得到键盘的一个返回值。如果row没有变化，则state转换为state2，对第二行进行按键扫描。依此类推，扫描第三行与第四行。

因为普通的按键都是接触式的，当按键闭合或释放时，上下接触面都会产生一个很短暂的抖动，如图2.2所示，这个抖动时间一般都会持续5-10ms，虽然这个抖动时间很短，但对于FPGA工作在50M的高频率上的器件来说，还是可以捕捉的到的。为了使CPU对于一次按键操作只处理一次，在软件中必须加入去除抖动处理。

图2.2 按键闭合时产生的抖动

由图中可以看出，最简单的去抖方法就是每隔一段时间读一次键盘，时间间隔大于10ms即可。如果连续两次检测都有按键被按下，则可以肯定有按键被按下，而且也进入闭合稳定期。

三、数码管显示译码模块设计

数码管显示译码电路主要用来对实际的二进制数据装换为8段数码管的实际显示控制码，采用两个2位的8段共阴极数码管，数码管的显示方式有两种：静态显示和动态显示。具体如下:

静态显示方式：所谓静态显示就是指无论是多少位数码管，同时处于显示状态。

静态显示的优点是：数码管显示无闪烁，亮度高，软件控制比较容易；缺点是：需要的硬件电路较多（每一个数码管都需要一个锁存器），将造成很大的不便，同时由于所有数码管都处于被点亮状态，所以需要的电流很大，当数码管的数量增多时，对电源的要求也就随之增高。所以，在大部分的硬件电路设计中，很少采用静态显示方式。

动态显示方式：所谓动态显示，是指无论在任何时刻只有一个数码管处于显示状态，每个数码管轮流显示。

动态显示的优点是：硬件电路简单（数码管越多，这个优势越明显），由于每个时刻

只有一个数码管被点亮，所以所有数码管消耗的电流较小；缺点是：数码管亮度不如静态显示时的亮度高，例如有8个数码管，以1秒为单位，每个数码管点亮的时间只有1/8秒，所以亮度较低；如果刷新率较低，会出现闪烁现象；如果数码管直接与单片机连接，软件控制上会比较麻烦等。

显示译码方式如下：

1) 时钟上升沿到来时分别对位选和段选进行译码。

2) 将输入的2bite位选数据译码成4比特数据控制数码管的2位，由于是共阴极数码管要选定相应的数码管则使该位位低电平，其它位为高电平即可，如：0000译码为0111_1111，对应于实验板上的左边第一位数码管。

3) 将输入的4bite段选数据译码为8比特数据控制8个LED的亮灭，最高位接A,最低位接小数点位DP。若要显示0则对应的译码为8’b1111_1100。

四、仿真

没有键按下时行循环输出“１１１０”“１１０１”“１０１１”“０１１１”

当随机按下时行保持所按下的状态不变

五、结论

这次EDA课程设计历时十天，学到很多很多的东西。同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次设计，进一步加深了对EDA的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。特别是当每一个子模块编写调试成功时，都会很高兴。在编写顶层文件的程序时，遇到了不少问题，特别是各元件之间的连接，以及信号的定义，总是有错误。排除困难后，程序编译就通过了。在波形仿真时，也遇到了一点困难，想要的结果不能在波形上得到正确的显示，后来，经过屡次的调试之后，才发现在写代码之前对信号的相位考虑不足。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独

立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

总的来说，这次设计还是比较成功的，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识，同时，对未来有了更多的信心。最后，对给过我帮助的老师和所有同学再次表示忠心的感谢！

六、程序

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY HH IS

PORT(

CLK_1K : IN STD_LOGIC; -- 时钟输入１ＫＨＺ

CLK_40K : IN STD_LOGIC; --时钟输入４０K HZ

KEY_LIE : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);-- 列输入

START :OUT STD_LOGIC; --二-十进制数据输出标志

KEY_HANG :OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); --行输出

DATA_P : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);--二-十进制数输出

DISP_DATA : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);--数码管显示译码输出

DISP_SEL : OUT STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0));--数码管显示扫描输出

END ;

ARCHITECTURE RTL OF HH IS

SIGNAL INT : STD_LOGIC; --列与非信号

SIGNAL CLK_SEL : STD_LOGIC;--键值控制1khz的时钟信号

SIGNAL START_REG:STD_LOGIC; --数据输出标志信号

SIGNAL DISP_SEL_REG:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);--数码管显示扫描信号

SIGNAL DATA_L,DATA_H:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);--二-十进制低位、高位信号

SIGNAL DATA_TMP:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);--二-十进制低位高位暂存信号

SIGNAL KEY_HANG_TMP:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);--行输出信号SIGNAL DISP_DATA_REG:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); --二-十进制低位、高位暂存信号（数码管用）

SIGNAL KEY_CODE:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);--行列相并信号SIGNAL DATA_P_REG:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); --二-十进制数信号

BEGIN

KEY_CODE<=KEY_HANG_TMP&KEY_LIE;--行、列相并

DATA_P<=DATA_P_REG;

START<= START_REG;

KEY_HANG<=KEY_HANG_TMP;

DISP_SEL<=DISP_SEL_REG;

CLK_SEL<=CLK_1K AND ( NOT INT);--无键按下时有CLK-SEL时钟信号输出

PROCESS (CLK_SEL,CLK_40K , INT)

VARIABLE STATE : INTEGER RANGE 0 TO 3 ;

BEGIN

IF RISING_EDGE(CLK_40K) THEN --一个40K的脉冲上升沿到来输入一次列状态以判断是否有按键按下

INT<= NOT (KEY_LIE(3) AND KEY_LIE(2) AND KEY_LIE(1) AND KEY_LIE(0)); END IF;

IF RISING_EDGE(CLK_SEL) THEN --一个1K的脉冲的上升沿到来输出一个带表行的状态

CASE STATE IS--变量表示状态机，4循环

WHEN 0=>

KEY_HANG_TMP<="1110";

STATE :=1;

WHEN 1 =>

KEY_HANG_TMP<="1101";

STATE :=2 ;

WHEN 2 =>

KEY_HANG_TMP<="1011";

STATE :=3;

WHEN 3 =>

KEY_HANG_TMP<="0111";

STATE :=0;

END CASE;

END IF;

END PROCESS;

PROCESS (CLK_40K , INT)--进程是并行的VARIABLE STATE :INTEGER RANGE 0 TO 3; VARIABLE COUNTER : INTEGER RANGE 0 TO 31; BEGIN

IF INT='0' THEN

STATE:=0;

COUNTER:=0;

ELSIF RISING_EDGE(CLK_40K) THEN

CASE STATE IS

WHEN 0 =>

DATA_TMP <= DATA_L;--低四位放入暂存信号内STATE:=1;

WHEN 1 =>--再嵌套一个CASE语句

CASE KEY_CODE IS--实现把像并数据译码十六进制的1到F

WHEN "01110111" =>

DATA_L <="0001";--把1放入低四位

DATA_H <=DATA_TMP;--把暂存信号的内容放入高四位，相相当于向左移位

STATE:=2;--跳出内嵌套CASE语句，转向外CASE语句的状态2

WHEN "01111011" =>

DATA_L <="0010";

DATA_H <=DATA_TMP;

STATE:=2;

WHEN "01111101" =>

DATA_L <="0011";

DATA_H <=DATA_TMP;

STATE:=2;

WHEN "01111110" =>

DATA_L <="0100";

DATA_H <=DATA_TMP;

STATE:=2;

WHEN "10110111" =>

DATA_L <="0101";

DATA_H <=DATA_TMP;

STATE:=2;

WHEN "10111011" =>

DATA_L <="0110";

DATA_H <=DATA_TMP;

STATE:=2;

WHEN "10111101" =>

DATA_L <="0111";

DATA_H <=DATA_TMP;

STATE:=2;

WHEN "10111110" =>

DATA_L <="1000";

DATA_H <=DATA_TMP;

STATE:=2;

WHEN "11010111" =>--9键

DATA_L <="1001";

DATA_H <=DATA_TMP;

STATE:=2;

WHEN "11011011" =>--0键

DATA_L <="0000";

DATA_H <=DATA_TMP;

STATE:=2;

WHEN "11011101" =>--A键，实现步进加一功能IF DATA_H ="1001" THEN

IF DATA_L="1001" THEN

DATA_H<="1001";

DATA_L<="1001";

ELSE DATA_L<=DATA_L + 1;

END IF;

ELSIF DATA_L="1001" THEN

DATA_L<="0000";

DATA_H<=DATA_H+1;

ELSE

DATA_L<=DATA_L+1;

DATA_H<=DATA_H;

END IF;

STATE:=2;

WHEN "11011110" =>--B键，实现步键加十IF DATA_H="1001" THEN

DATA_H<="1001";

ELSE

DATA_L<=DATA_L;

DATA_H<= DATA_H+1;

END IF;

STATE:=2;

WHEN "11100111" =>--C键，实现步进减一

IF DATA_L="0000" AND DATA_H="0000" THEN

DATA_L<="0000";

DATA_H<="0000";

ELSIF DATA_L="0000" THEN

DATA_L<="1001";

DATA_H<= DATA_H-1;

ELSE

DATA_L <=DATA_L-1;

DATA_H<=DATA_H;

END IF;

STATE:=2;

WHEN "11101011"=>--D键，实现步进减十

IF DATA_H="0000" THEN

DATA_H<="0000";

ELSE

DATA_L<=DATA_L;

DATA_H<=DATA_H-1;

END IF;

STATE:=2;

WHEN "11101110" =>--E键，实现送数功能

DATA_L<=DATA_L;

DATA_H<=DATA_H;

DATA_P_REG<=DATA_H&DATA_L;

START_REG<='1';--数据输出标志信号置一STATE:=2;

WHEN"11101101" =>--F键，实现清零功能

DATA_L<="0000";

DATA_H<="0000";

STATE:=2;

WHEN OTHERS =>--不可缺少

STATE:=2;

END CASE;

WHEN 2 =>--状态2实现去抖动功能

IF COUNTER=31 THEN --计数延时去抖

COUNTER:=0;

STATE:=3;

ELSE

COUNTER:=COUNTER+1;

STATE:=2;

END IF;

WHEN 3 =>-- 清除数据输出标志

START_REG<='0';

STATE:=3;

END CASE;

END IF;

END PROCESS;