基于CPLD的矩陣鍵盤掃描模塊設(shè)計(jì)

在基于PC104的便攜式野外測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)中，鍵盤是常用的輸入設(shè)備。對(duì)于便攜式設(shè)備野外工作時(shí)，一般使用小型(4x4)矩陣鍵盤就能滿足設(shè)備的信息輸入需要；室內(nèi)調(diào)試時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)鍵盤，利用擴(kuò)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(shí)現(xiàn)設(shè)備雙鍵盤同時(shí)工作的功能，卻需耗費(fèi)大量的CPU處理時(shí)間掃描矩陣鍵盤，造成CPU處理其他信息的能力下降。而本文設(shè)計(jì)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4x4矩陣鍵盤的電路圖，在圖1中KX[3．．0]為掃描碼輸入，KY[3．．0]為掃描碼輸出。鍵盤掃描開始時(shí)，首先置KX[3．．0]=“0000”；鍵盤掃描碼寄存器和鍵盤掃描碼緩存器Kreg[15．．0]和Kscan[15．．0]置成“1111111111111111”(全1為沒有鍵按下，有鍵按下時(shí)至少有一位為O)，一旦有鍵按下，KY[3..0]輸出不全為“O”的掃描碼觸發(fā)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(duì)應(yīng)的4組KY[3..0]輸入值保存于Kscan[15．．12]、Kscan[11..8]、Kscan[7．．4]、Kscan[3．．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(fù)上述掃描過程直到Kscan[15..0]各位輸出全為“1”時(shí)，說明按下的鍵全部抬起，Kreg[15．．0]中的每一個(gè)為“0”的位對(duì)應(yīng)一個(gè)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(jù)記錄的Kreg值可以判斷是哪個(gè)或哪幾個(gè)鍵按下，據(jù)此編碼按鍵值后輸出。將KX[3..0]置為“0000”，等待下一次按鍵發(fā)生。

2 基于CPLD的4x4矩陣鍵盤掃描模塊設(shè)計(jì)
根據(jù)上述掃描原理和工作流程，如果以PC104 CPU實(shí)現(xiàn)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(jìn)行其他工作，降低了CPU工作效率，且CPU連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)增加系統(tǒng)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(fā)、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(shí)查詢有無鍵按下并讀走按下鍵的按鍵值送入鍵盤緩沖區(qū)。這樣就使CPU從繁重的矩陣鍵盤掃描工作中解脫出來。根據(jù)上述鍵盤掃描工作原理，基于CPLD的4x4矩陣鍵盤掃描模塊功能框圖如圖2所示。

圖中，模塊KeyTri在時(shí)鐘信號(hào)CLK的控制下實(shí)現(xiàn)按鍵事件觸發(fā)和矩陣鍵盤掃描時(shí)序產(chǎn)生功能；模塊keycode在時(shí)鐘信號(hào)CLK和掃描時(shí)序碼SCode的控制下完成輸出鍵盤掃描碼KX，同時(shí)記錄16位鍵盤掃描數(shù)據(jù)等工作，并在所有鍵抬起后對(duì)按下的鍵編碼完成輸出功能；模塊nread實(shí)現(xiàn)按鍵碼的暫存、按鍵狀態(tài)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(chǎn)生控制鍵
盤掃描模塊工作的3 KHz時(shí)鐘信號(hào)CLK。
2．1 鍵盤掃描觸發(fā)模塊(KeyTri)的功能與時(shí)序仿真
鍵盤掃描過程中，掃描信號(hào)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(hào)不僅使系統(tǒng)功耗增加，而且還會(huì)對(duì)其他敏感電路造成干擾。因此在本設(shè)計(jì)中將鍵盤掃描模式設(shè)計(jì)成鍵按下觸發(fā)掃描方式，只有當(dāng)鍵盤有鍵按下后，才觸發(fā)鍵盤掃描電路產(chǎn)生掃描鍵盤時(shí)序，所有鍵都放開后，停止對(duì)鍵盤的掃描，使電路處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，以減少對(duì)其他電路的干擾。
鍵盤按下時(shí)會(huì)有抖動(dòng)，在按鍵抖動(dòng)時(shí)掃描鍵盤，可能會(huì)使鍵盤掃描電路產(chǎn)生誤判，因此在鍵盤按下與開始掃描之間應(yīng)加入一段延時(shí)，延時(shí)結(jié)束后按鍵仍處于按下狀態(tài)，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(fā)模塊實(shí)現(xiàn)的功能為：在KX=0000的狀態(tài)下，如果有任意一個(gè)鍵被按下，KY必然不全為‘1’，觸發(fā)延時(shí)功能開始延時(shí)，延時(shí)結(jié)束后，如果KY仍不全為‘1’，說明該按鍵事件有效，啟動(dòng)掃描時(shí)序產(chǎn)生1H～BH的4位循環(huán)掃描時(shí)序碼，控制后續(xù)的鍵盤掃描電路對(duì)鍵盤掃描，當(dāng)ReSet變低時(shí)，立即將掃描時(shí)序碼置為OH，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(fā)模塊的VHDL語言實(shí)現(xiàn)如下：