FPGA／CPLD在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的廣泛應(yīng)用,，影響到了生產(chǎn)生活的各個方面,。在FPGA／CPLD的設(shè)計開發(fā)中，VHDL語言作為一種主流的硬件描述語言,，具有設(shè)計效率高,，可靠性好，易讀易懂等諸多優(yōu)點(diǎn),。作為一種功能強(qiáng)大的FPGA／CPLD數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境,，Altera公司推出的Quar-tUSⅡ，為設(shè)計者提供了一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計環(huán)境,，使設(shè)計者能方便地進(jìn)行設(shè)計輸入,、快速處理和器件編程，為使用VHDL語言進(jìn)行FPGA／-CPLD設(shè)計提供了極大的便利,。矩陣鍵盤作為一種常用的數(shù)據(jù)輸入設(shè)備,，在各種電子設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)用，通過7段數(shù)碼管將按鍵數(shù)值進(jìn)行顯示也是一種常用的數(shù)據(jù)顯示方式,。在設(shè)計機(jī)械式矩陣鍵盤控制電路時,，按鍵防抖和按鍵數(shù)據(jù)的譯碼顯示是兩個重要方面。本文在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下,，采用VHDL語言設(shè)計了一種按鍵防抖并能連續(xù)記錄并顯示8次按鍵數(shù)值的矩陣鍵盤及顯示電路,。

1 矩陣鍵盤及顯示電路設(shè)計思路
    矩陣鍵盤及顯示電路能夠?qū)C(jī)械式4×4矩陣鍵盤的按鍵值依次顯示到8個7段數(shù)碼管上，每次新的按鍵值顯示在最右端的第O號數(shù)碼管上,，原有第0～6號數(shù)碼管顯示的數(shù)值整體左移到第1～7號數(shù)碼管上顯示,，見圖1?？傮w而言,，矩陣鍵盤及顯示電路的設(shè)計可分為4個部分：
    (1)矩陣鍵盤的行及列的掃描控制和譯碼。該設(shè)計所使用的鍵盤是通過將列掃描信號作為輸入信號,，控制行掃描信號輸出,，然后根據(jù)行及列的掃描結(jié)果進(jìn)行譯碼。
    (2)機(jī)械式按鍵的防抖設(shè)計,。由于機(jī)械式按鍵在按下和彈起的過程中均有5～10 ms的信號抖動時間,，在信號抖動時間內(nèi)無法有效判斷按鍵值，因此按鍵的防抖設(shè)計是非常關(guān)鍵的,，也是該設(shè)計的一個重點(diǎn),。
    (3)按鍵數(shù)值的移位寄存。由于該設(shè)計需要在8個數(shù)碼管上依次顯示前后共8次按鍵的數(shù)值,，因此對已有數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用也是該設(shè)計的重點(diǎn)所在,。
    (4)數(shù)碼管的掃描和譯碼顯示,。由于該設(shè)計使用了8個數(shù)碼管，因此需要對每個數(shù)碼管進(jìn)行掃描控制,，并根據(jù)按鍵值對每個數(shù)碼管進(jìn)行7段數(shù)碼管的譯碼顯示,。

2 矩陣鍵盤及顯示電路的實(shí)現(xiàn)
    本文所設(shè)計的矩陣鍵盤及顯示電路的電路符號如圖2所示。其中,，clk為時鐘信號輸入端(頻率可為1 024～32 768Hz),；start為清零控制端；kbrow為列掃描信號輸入端,；kbeol為行掃描信號輸出端,；scan為數(shù)碼管地址掃描信號輸出端；seg7為數(shù)碼管顯示信號輸出端,。
    限于篇幅,，在此不詳述所設(shè)計矩陣鍵盤及顯示電路的全部VHDL代碼，只對部分重要代碼段落進(jìn)行詳細(xì)說明,。

    如圖1所示,，全部代碼由7個進(jìn)程(process)組成。其中,，進(jìn)程P1和P2用于對列掃描輸入信號kbrow進(jìn)行讀取,，并通過或非運(yùn)算產(chǎn)生行掃描使能控制信號en對行掃描輸出信號kbcol進(jìn)行控制，并生成一個與kbcol對應(yīng)的狀態(tài)信號state,。若沒有按鍵被按下(即kbrow="0000"),，則en= '1'，行掃描輸出信號kbcol不斷循環(huán)掃描各行,；若有按鍵被按下,，en=‘O’，則行掃描停止,，并鎖存當(dāng)前kbcol的值,。進(jìn)程P1和P2的代碼如下：


    進(jìn)程P3使用“case…when”語句，根據(jù)狀態(tài)信號state的值(即kbcol的值)和列掃描輸入信號kbrow的值進(jìn)行按鍵值譯碼,，生成一個4位二進(jìn)制按鍵數(shù)值信號dat,，用以記錄當(dāng)前按鍵值。例如,，當(dāng)kbcol=“0010”,，kbrow=“0001”時，“B”鍵按下,，dat=“1011”,。進(jìn)程P3的代碼在此不再贅述。
    進(jìn)程P4和P5用于按鍵的防抖和按鍵值的移位寄存,。通過將行掃描使能控制信號en不斷賦給一個8位二進(jìn)制變量reg8,，再將reg8賦給8位二進(jìn)制信號key,，實(shí)現(xiàn)對按鍵狀態(tài)的記錄,，然后通過對key的各位數(shù)值進(jìn)行與運(yùn)算,，生成防抖控制信號fnq。一旦有按鍵按下,，en=‘O’,，則即便是按鍵在抖動，key中至少也有1位數(shù)值為‘0’,，從而使fnq=‘O’,。只有當(dāng)按鍵再次彈起，并且在連續(xù)8個時鐘周期內(nèi)不再有新的按鍵按下,，key的數(shù)值全為‘1’,，則fnq=‘1’，fnq產(chǎn)生一個上升沿,，從而觸發(fā)按鍵數(shù)值信號dat進(jìn)入數(shù)值寄存信號temp(32位二進(jìn)制數(shù))的第0～3位,，并將temp原來的第0～27位左移到第4～31位，實(shí)現(xiàn)1次按鍵按下的數(shù)值存儲,。進(jìn)程P4和P5的代碼如下：
   
    進(jìn)程P6用于將數(shù)值寄存信號temp的32位二進(jìn)制數(shù)分配給8個數(shù)碼管,，從而生成數(shù)碼管地址掃描輸出scan，以及數(shù)碼管數(shù)值信號data(4位2進(jìn)制數(shù)),。進(jìn)程P6代碼如下：
   
   
    進(jìn)程P7用于將數(shù)碼管數(shù)值信號data譯碼成為7段數(shù)碼管顯示輸出seg7,，進(jìn)程P7的代碼在此不再贅述。值得注意的是,，本文設(shè)計的矩陣鍵盤及顯示電路在按鍵防抖和數(shù)據(jù)寄存部分設(shè)計得更加簡潔可靠,，實(shí)現(xiàn)的功能更加強(qiáng)大，其具有如下特點(diǎn)：
    (1)為了實(shí)現(xiàn)按鍵防抖,，本文采用對按鍵狀態(tài)連續(xù)記錄的方式,，即在按鍵彈起后連續(xù)8個時鐘周期均無按鍵信號才確認(rèn)1次按鍵有效，從而避免了按鍵按下和彈起過程中的數(shù)據(jù)抖動,，相比于使用計數(shù)器從按鍵按下開始計數(shù),，直到5～10 ms后才讓按鍵有效的防抖方式，這里設(shè)計的按鍵防抖更加可靠,，且可有效避免長時間按下按鍵產(chǎn)生的重復(fù)數(shù)據(jù)輸出,，使每次按鍵無論時間長短均可且只會產(chǎn)生1次數(shù)據(jù)輸出。另外,，當(dāng)電路采用32 768 Hz以上的時鐘作為系統(tǒng)時鐘時,，可以通過增加按鍵狀態(tài)連續(xù)記錄的時鐘周期數(shù)，實(shí)現(xiàn)可靠的防抖,。
    (2)該設(shè)計采用一個32位一維數(shù)組temp作為數(shù)據(jù)寄存器,，使用移位寄存方式,，實(shí)現(xiàn)了對連續(xù)8次按鍵數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用，從而可以在8個數(shù)碼管上連續(xù)顯示數(shù)據(jù),。

3 仿真結(jié)果分析
    本文設(shè)計的矩陣鍵盤及顯示電路在QliartusⅡ開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,。其中，按鍵防抖功能的仿真波形如圖3所示,。仿真結(jié)果分析如下：
    (1)clk為時鐘輸入信號,，作為系統(tǒng)時鐘；
    (2)start為清零控制端,，當(dāng)其為高電平時,，按鍵有效；
    (3)kbrow為列掃輸入信號,，kbcol為行掃輸出信號,，圖3中對kbrow[1]的輸入波形進(jìn)行設(shè)置，模擬了“A”鍵按下和彈起的過程,；
    (4)fnq為防抖控制信號,，scan為數(shù)碼管地址掃描輸出，seg7為數(shù)碼管顯示輸出,。由圖3可知,，只有在按鍵彈起后，才有數(shù)據(jù)輸出,，從而實(shí)現(xiàn)防抖功能,。

    該設(shè)計的其他功能也可以通過仿真驗(yàn)證，不再贅述,。

4 結(jié)語
    本文設(shè)計矩陣鍵盤及顯示電路在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證后,，下載到湖北眾友科技實(shí)業(yè)股份有限公司的ZYllEDAl3BE實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行了硬件驗(yàn)證。該實(shí)驗(yàn)箱使用ACEXlK系列EPlK30QC208芯片作為核心芯片,。實(shí)驗(yàn)證明,，當(dāng)電路的系統(tǒng)時鐘頻率在1 024～32 768 Hz范圍內(nèi)時，電路均可穩(wěn)定運(yùn)行,，按鍵防抖可靠,、功能完整。當(dāng)系統(tǒng)時鐘頻率低于1 024 Hz時,，需要減少防抖記錄時鐘周期的個數(shù),，否則容易錯過短時按鍵動作；當(dāng)系統(tǒng)時鐘頻率高于32 768 Hz時,，需要增加防抖記錄時鐘周期的個數(shù),，以確保可靠的按鍵防抖。