摘要：介紹一種基于FPGA(Field Programmable Gate Array)現(xiàn)場可編程門陣列的可鍵盤控制的計數(shù),，顯示電路的實現(xiàn)方法。應(yīng)用VHDL語言(高速集成電路硬件描述語言)完成了3x4矩陣開關(guān)的掃描電路,，可預(yù)置數(shù)的BCD碼計數(shù)電路及4位數(shù)碼管動態(tài)掃描電路的描述,。通過原理圖輸入方式完成了系統(tǒng)功能的設(shè)計,。電路結(jié)構(gòu)簡單，便于擴展,，可靠性高,，且可移植性強，容易實現(xiàn),。該電路已成功應(yīng)用于測試某脈沖電容質(zhì)量試驗的控制電路中,。
關(guān)鍵詞：FPGA；鍵盤掃描,；計數(shù),；動態(tài)顯示
FPGA做為現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)的核心器件，成為目前硬件設(shè)計研究的重點,。在工業(yè)控制中,，計數(shù)顯示基本電路在儀器儀表中得到了廣泛應(yīng)用，而如何根據(jù)需要靈活的設(shè)置計數(shù)范圍,，是一個較為復(fù)雜的問題,。本文應(yīng)用EDA技術(shù)通過對鍵盤的控制，實現(xiàn)了從0～9999范圍內(nèi)預(yù)置數(shù)可變的計數(shù)顯示電路設(shè)計,。與傳統(tǒng)的應(yīng)用單片機控制鍵盤掃描的設(shè)計方法相比,，具有集成度高，穩(wěn)定度高,，抗噪聲能力強,，容錯率低等優(yōu)點。
1 系統(tǒng)設(shè)計原理及電路圖
圖1為基于FPGA的預(yù)置數(shù)可控計數(shù)顯示頂層設(shè)計電路原理圖,，共由3部分組成：鍵盤掃描控制電路key_board,；BCD碼計數(shù)電路CNT；4位數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示電路scan_LED,。首先,，由鍵盤掃描電路完成對鍵盤的掃描和鍵值的譯碼，當計數(shù)電路置數(shù)端LOAD為上升沿時,，將鍵盤掃描電路讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)P3-P0并行置入到計數(shù)器中做為其計數(shù)范圍,，計數(shù)器的輸出通過動態(tài)掃描譯碼模塊驅(qū)動4位數(shù)碼管顯示。
2 VHDL語言的實現(xiàn)
該設(shè)計采用層次化設(shè)計方法,，首先采用VHDL語言完成了對各子模塊電路的描述，然后分別將其生成符號元件,，通過原理圖編輯完成了系統(tǒng)的設(shè)計,。
2．1 鍵盤掃描電路
2．1．1 行列式鍵盤工作原理
圖2為3x4行列式鍵盤原理圖，行線是KEY_HANG[2..0],，列線是KEY_LIE[3．．0],，形成12個交叉點,，每個交叉點連接一個按鍵。12個按鍵分別對應(yīng)數(shù)字0～9和清零鍵A,，確定鍵B,。當沒有按鍵按下時，所有交叉點斷開,，由于列線的上拉電阻作用,，使其保持高電平。如果行線KEY_HANG[2．．0]被設(shè)置為低電平,，當有按鍵按下時,，該鍵所在的行線和列線被按鍵短路，那么相應(yīng)得列線就變?yōu)榈碗娖健?/p>
2．1．2 鍵盤掃描電路工作原理
圖3為鍵盤掃描原理圖,。CLK_40K為鍵盤掃描工作時鐘,，連續(xù)讀取數(shù)據(jù)輸入端KEY_LIE[3..0]的信息；CLK_2K為鍵值控制工作時鐘信號,，無鍵按下時控制電路循環(huán)掃描輸出,；P3，P2,，P1,，P0為鍵盤譯碼輸出BCD碼形式；START端為數(shù)據(jù)輸出標志信號,，當P3-P0輸出時,，START端輸出一個脈沖。工作時,，由行信號輸出端KEY_HANG[2．．0]循環(huán)輸出“110”,，“101”，“011”,。當沒有按鍵按下時,，掃描電路列信號輸入端檢測到“1111”。當有按鍵按下時,，例如按下1鍵,，此時行信號KEY_HANG[2..0]輸出“011”，由圖2可知,。列信號輸入端將檢測到“0111”,，在掃描譯碼時，可根據(jù)行信號輸出和列信號輸入數(shù)據(jù)同時判斷“0110111”對應(yīng)數(shù)據(jù)為1,。
2．1．3 鍵盤掃描電路VEIDL實現(xiàn)
鍵盤掃描電路主要有判斷按鍵有無按下,，鍵值識別和去抖動處理等功能。其中去抖處理主要為了避免外界振動引起按鍵誤動,，以及保證按鍵每穩(wěn)定閉合一次,，系統(tǒng)僅對其響應(yīng)一次,。采用不同的鍵盤其機械抖動時間各異，本文設(shè)置去抖時間為20 ms,。圖4為鍵盤掃描電路VHDL描述流程圖,。以下是去抖動程序關(guān)鍵代碼：
2．2 可預(yù)置數(shù)BCD碼計數(shù)電路
圖5為可預(yù)置數(shù)BCD碼計數(shù)電路。置數(shù)端LOAD為高電平時,，將通過鍵盤設(shè)置的數(shù)并行置入到D3～D0,。然后對輸入的脈沖直接進行BCD碼減法計數(shù)，由Q3～Q0輸出,。計數(shù)結(jié)束,，ENDCNT端輸出一個脈沖。
部分源程序如下所示：
2．3 4位數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示電路
段式LED顯示器的控制方式分為靜態(tài)顯示控制和動態(tài)顯示控制兩種,。本電路設(shè)計采用動態(tài)掃描方式,，具有占用資源少，電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,。電路如圖6所示,。外接4位共陰數(shù)碼管，其中每個數(shù)碼管的7段a,、b,、c、d,、e,、f、g都分別連在一起,，4位數(shù)碼管分別由BT[3..0] 4位選通信號來選擇,。被選通的數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，其余關(guān)閉,，與此同時,，在段信號輸入端口加上希望在該對應(yīng)數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)。隨著選通信號的循環(huán)掃描,，段碼的分別輸出,，利用數(shù)碼管的余暉效應(yīng)，即可顯示4位數(shù)據(jù),。
3 仿真結(jié)果
將設(shè)計好的電路經(jīng)過編譯,、引腳配置、下載到FPGA芯片EP1C12Q240,。采用QUATUSⅡ6．0軟件自帶的嵌入式邏輯分析儀對目標芯片內(nèi)部信號各節(jié)點進行觀察分析,，如圖7所示。實驗中已將預(yù)置數(shù)1234置入計數(shù)器中，通過圖7可以看到此時位選信號選通第2位數(shù)碼管,，顯示數(shù)據(jù)3。
4 結(jié)束語
完成了基于FPGA,，應(yīng)用VHDL文本輸入和原理圖混合輸入法,，實現(xiàn)預(yù)置數(shù)靈活設(shè)置的計數(shù)顯示電路。該電路設(shè)計解決了可預(yù)置數(shù)計數(shù)器從外部設(shè)備置數(shù)難的問題,，以及在電路內(nèi)部直接實現(xiàn)BCD碼計數(shù),，方便，可靠,，電路簡單,，尤其該系統(tǒng)在較惡劣環(huán)境情況下依然可以穩(wěn)定工作。