1 引言
按鍵作為普通的輸入外設(shè),，在儀器儀表工業(yè)設(shè)備和家用電器中得到廣泛應(yīng)用,。目前，按鍵輸入電路Ⅲ主要有2種：一種是非掃描方式可以判斷多鍵狀態(tài)(允許多鍵同時(shí)動(dòng)作),，但是不適用于大量按鍵情況,，所需I/0端口多；另一種是掃描陣列方式,，適用于大量按鍵,，但不能多鍵同時(shí)動(dòng)作。因此，需要開發(fā)一種既適合大量按鍵又適合多鍵同時(shí)動(dòng)作,，并能節(jié)省單片機(jī)(MCU)的口線資源的多按鍵狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng),。這里提出一種利用FPGA的I/0端口數(shù)多和可編程的特點(diǎn)，采用VHDL語言的多按鍵狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)識(shí)別60個(gè)按鍵自由操作,，并簡(jiǎn)化MCU的控制信號(hào)。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
FPGA是一種可編程邏輯器件,，它具有良好性能,、極高的密度和極大的靈活性，外圍電路簡(jiǎn)單可靠等特性,。因此,，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是由MCU、FPGA,、按鍵等部分組成,。60路按鍵信號(hào)進(jìn)入FPGA單元，以供數(shù)據(jù)采集,；FPGA處理采集到的數(shù)據(jù)信號(hào),，編碼后寫入內(nèi)部FIFO。MCU通過I／O端口提取FIFO中的數(shù)據(jù),。模塊通過電源接口向各個(gè)部分供電,。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖l所示。
2．1 FPGA配置電路
FPGA采用Altera公司EPF10K30ATC144,，該器件內(nèi)核采用3.3 V供電,，端口電壓為3．3V可承受5 V輸入高電平，其工作頻率高達(dá)100 MHz,；有102個(gè)可用I／0端口,，每個(gè)端口輸入電流最高達(dá)25 mA，輸出電流達(dá)25 mA,；l728個(gè)邏輯單元(Les),，12 288 bit的用戶Flash存儲(chǔ)器，可滿足用戶小容量信息存儲(chǔ),，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,。
由于FPGA基于RAM工藝技術(shù)，該器件丁作前需要從外部加載配置數(shù)據(jù),，需要一個(gè)外置存儲(chǔ)器保存信息,，采用可編程的串行配置器件EPC2．其供電電壓為3．3 V。OE和nCS引腳具有內(nèi)部用戶可配置上拉電阻,。FPGA的DCLK,、DATA0,、nCONFIG引腳信號(hào)均來自EPC2。系統(tǒng)上電后,，首先FPGA初始化,，nSTATUS、CONF_DONE置為低電平,。nSTATUS置為低電平后復(fù)位，此時(shí)EPC2的nCE為低電平,，因此選取EPC2,，從而數(shù)據(jù)流從DATA引腳輸入到FPGA的DATAO引腳。配置完成后,，F(xiàn)PGA將CONF_DONE置為高電平,，而EPC2將DATA引腳置為高阻態(tài)。其FPGA配置電路如圖2所示,。
2．2 按鍵電路
圖3為一路按鍵電路,，共60個(gè)按鍵(i=1～60)。由于外界環(huán)境復(fù)雜,，按鍵引線長(zhǎng)達(dá)6 m,，保護(hù)二極管VDi：在外界干擾信號(hào)大于VCC時(shí)導(dǎo)通起到保護(hù)FPGA的作用。電阻Ri上拉限流,，按鍵未閉合狀態(tài)下FPGA輸入引腳始終處于高電平,。
3 FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)
FPGA內(nèi)部功能分為掃描模塊、編碼模塊,、控制模塊以及同步FIFO RAM模塊,，如圖4所示。
圖4中,，K1~K60為60個(gè)按鍵的輸入端,，Scan為工作模式選擇信號(hào)，Ready為讀準(zhǔn)備好信號(hào),，RdClk為讀時(shí)鐘信號(hào),，Data[7：0]為數(shù)據(jù)輸出，ModCtr為編碼模式控制信號(hào),，F(xiàn)IFOWEn為FIFO RAM寫使能信號(hào),，F(xiàn)IFOIn為FIFO RAM數(shù)據(jù)輸入，State為按鍵狀態(tài)掃描信號(hào),。其工作原理為：掃描模塊周期掃描按鍵狀態(tài),，其結(jié)果送入編碼模塊；編碼模塊根據(jù)模式控制信號(hào)ModCtr選擇編碼方式編碼,，將其結(jié)果送入FIFO RAM,；控制模塊產(chǎn)生對(duì)FIFO RAM的讀取控制信號(hào)；MCU可通過Readv、RdClk控制信號(hào)讀取Data[7：0]數(shù)據(jù)線上的按鍵編號(hào)和狀態(tài)數(shù)據(jù),。
3．1 掃描模塊
掃描模塊主要完成掃描按鍵狀態(tài)輸入和按鍵的軟件去抖動(dòng),。掃描按鍵狀態(tài)輸入是以5 m8為周期掃描60個(gè)輸入引腳，將其結(jié)果存入60個(gè)兩位狀態(tài)移位寄存器,。其代碼為：
按鍵去抖有硬件和軟件2種實(shí)現(xiàn)方式,。為了節(jié)省成本，充分發(fā)揮FPGA器件的功能,，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用軟件去抖,。圖5為軟件去抖動(dòng)流程。圖中State為2位狀態(tài)移位寄存器,，初始值為0,，TimeDelay為延時(shí)計(jì)數(shù)器。
軟件去抖動(dòng)過程說明：對(duì)狀態(tài)寄存器的2位數(shù)值做異或運(yùn)算,，即m=State_1 Xor State_2,。若m=l，說明按鍵有動(dòng)作,，則令TimeDelay=1,，啟動(dòng)延時(shí)計(jì)數(shù)；若m=O,，表明按鍵處于去抖延時(shí)或者平穩(wěn)狀態(tài),。這時(shí)判斷TimeDelay，若TimeDelay=0,，則按鍵處于平穩(wěn)狀態(tài),；若0
3．2 編碼模塊
以0,、l表示按鍵通斷狀態(tài)，60個(gè)按鍵則需要8個(gè)字節(jié),；在實(shí)際中單鍵動(dòng)作的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多鍵同時(shí)動(dòng)作的概率,，若只對(duì)狀態(tài)發(fā)生變化的按鍵以8位編碼方式傳輸按鍵信息，則一個(gè)按鍵只需傳送一個(gè)字節(jié),，因此為盡可能地減少M(fèi)CU的負(fù)擔(dān),，提高實(shí)時(shí)性,，設(shè)計(jì)為只在按鍵發(fā)生狀態(tài)變化時(shí)才向MCU傳輸相應(yīng)按鍵的編號(hào)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。其編碼數(shù)據(jù)格式如圖6所示,。
狀態(tài)位lbit,，0表示按鍵閉合狀態(tài)，1表示按鍵打開,；數(shù)據(jù)6bits,，即0X01~OX3C分別表示1~60個(gè)按鍵；lbit偶校驗(yàn)位,。這樣傳輸一次數(shù)據(jù)就可完成按鍵編號(hào)和狀態(tài)的傳輸,。
編碼器采用連續(xù)和隨機(jī)2種工作模式。連續(xù)工作模式每次掃描后對(duì)所有按鍵依次編碼,，并獲取所有按鍵的當(dāng)前狀態(tài)；而隨機(jī)工作模式在每次掃描后只對(duì)狀態(tài)發(fā)生變化的按鍵編碼,。
3．3 控制模塊
控制模塊完成MCU與FPGA之間的功能控制,，有2個(gè)作用：一是根據(jù)Scan信號(hào)選擇編碼模塊的工作模式，二是產(chǎn)生FIFO RAM的讀取操作時(shí)序,。
對(duì)于模式控制,，Scan上升沿觸發(fā)控制模塊，使編碼模塊進(jìn)入連續(xù)工作模式,，掃描完成一周,，控制模塊發(fā)送控制信號(hào)使編碼模塊進(jìn)入隨機(jī)工作模式。
對(duì)于讀取數(shù)據(jù),，控制模塊根據(jù)FIFO RAM的Data[7：0]是否有數(shù)據(jù),，置位Ready信號(hào)。有數(shù)據(jù),，Ready為低電平,；無數(shù)據(jù)，Ready為高電平,。RdClk為讀取時(shí)鐘,，相當(dāng)于確認(rèn)信號(hào)，每讀完一個(gè)數(shù)據(jù),，發(fā)送一個(gè)脈沖,。
3．4 FIFORAM模塊
與MCU通信的接口種類很多，可選擇串口,、I2C,、并口等形式，應(yīng)用中可根據(jù)MCU資源以及項(xiàng)目成本,、進(jìn)度等具體情況選擇最合適的一種方式,。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用同步FIF0 RAM并口傳輸,。FIF0 RAM模塊采用EDA軟件庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)模塊。
4 仿真結(jié)果
采用Altera公司提供的Quartus II仿真工具,，其集成有與硬件實(shí)時(shí)操作相吻合的硬件測(cè)試工具,。綜合仿真結(jié)果如圖7所示，系統(tǒng)時(shí)鐘SysClk為12 kHz,，其仿真結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到要求,。
5 結(jié)論
提出基于FPGA器件，VHDL語言描述的特殊鍵盤設(shè)計(jì)方案解決遠(yuǎn)距離,、分散,、多鍵動(dòng)作狀態(tài)識(shí)別問題，極大節(jié)省PCB面積和MCU的I／0端口資源,。模塊中掃描延遲,、掃描間隔等參數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)需求靈活改變，F(xiàn)PGA器件使得電路功能的擴(kuò)展方便,，具有極高穩(wěn)定性和靈活性,。這一方案已在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證性能穩(wěn)定可靠,。