欢迎各位朋友关注“郝旭帅电子设计团队”，本篇为各位朋友介绍基于FPGA的4x4矩阵键盘驱动设计---第一版
功能说明：
1. 驱动4x4矩阵键盘：按下任意一个按键，解析出对应按键信息，并给出标志
使用平台：纯代码形式
使用语言：Verilog HDL
作者QQ：746833924
说明：本篇设计中不涉及到IP和原语，代码在其他平台依然可以适用；当其他板卡电路不同时，会导致不同的现象出现，如有需要修改代码请联系作者；如需作者使用的板卡，请联系作者；
4x4矩阵键盘实物图如下：
电路原理图如下：
注：此电路设计按照四角按键设计，按键按下时，对角导通；按键释放时，对角不导通。
矩阵键盘驱动检测原理：
根据矩阵键盘排布的方式可以看到：对外引出了四根行线，四根列线；当有按键闭合时，所在的行线和列线就会导通。
主控芯片控制输出列线，然后检测行线（也可以反过来控制和检测）。
每次按键按下只有一个按键按下。
控制最后一列为低电平，其他列为高电平；如果此时最后一列有按键按下，那么对应的行线将会检测到低电平；此时根据最后一列和检测到行线的情况即可推断出对应的按键。如果最后一列没有按键按下，那么此时行线全部为高电平。
最后一列检测完毕后，可以控制倒数第二列为电平，方式同上。
四列全部检测完毕即可检测出来按键闭合的位置，根据位置译码出对应的标志即可。
假设K1闭合；第四列为低电平，此时行线全部为高电平；第三列为低电平，此时行线全部为高电平；第二列为低电平，此时第一行线为电平，其他行线为高电平；此时即可得出第二列，第一行有按键闭合。
设计思想如下：
根据上述原理，我们增加一些设计考虑。
-
矩阵键盘并不是一直在使用，或者说使用的时间较少，因此不建议一直处于扫描状态（不断切换列为低电平）。带来的问题：功耗增加、增加CPU的运行负担（FPGA不增加负担）等等。解决方案：先给所有列为低电平，检测行线情况，如果有按键闭合，行线将会不全为高电平，此时进行扫描，并且扫描到就退出，等待下一次有按键闭合；如果没有按键闭合，行线一直都为高电平，则此时一直等待即可。
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矩阵键盘的按键在闭合时会有一定的抖动，所以要增加按键消抖机制。
本设计利用状态机设计进行实现。共有八个状态。
localparam STATE_OFF = 9'b00000_0001;
localparam STATE_ON_SHAKE = 9'b00000_0010;
localparam STATE_OUT_SCAN = 9'b00000_0100;
localparam STATE_SCAN_WAIT0 = 9'b00000_1000;
localparam STATE_SCAN_WAIT1 = 9'b00001_0000;
localparam STATE_SCAN_WAIT2 = 9'b00010_0000;
localparam STATE_SCAN_WAIT3 = 9'b00100_0000;
localparam STATE_CHECK_PRESS = 9'b01000_0000;
localparam STATE_OFF_SHAKE = 9'b10000_0000;
复位结束后，在OFF状态。此时列全部为低电平，如果没有按键闭合，则行线一直全部为高电平，保持OFF状态；如果有按键闭合，则行线就不全为高电平，此时进入ON_SHAKE状态，在此状态中，列全部为低电平，检测行线是不是一直不全为高电平，如果按键有抖动，则行线会变为全部高电平，此时回到OFF状态；当行线一直不全为高电平保持10ms或者20ms，则认为按键无抖动，之后进入OUT_SCAN状态；
在OUT_SCAN状态输出单列为低电平，等待四个状态即等待四个时钟周期：用于输出行线的同步（STATE_SCAN_WAIT0、STATE_SCAN_WAIT1、STATE_SCAN_WAIT2、STATE_SCAN_WAIT3），在CHECK_PRESS状态监测行线，判断是否为全高，即监测此列是否有按键闭合。如果有按键闭合，则记录行列情况；如果没有按键按下，则返回OUT_SCAN状态，进行下一列监测。如果监测完四列没有发现有按键按下，则也跳出。
在OFF_SHAKE状态，是检测按键放开的抖动，原理和检测按下的抖动类似。
always @ * begin
case (c_state)
STATE_OFF : n_state = (row_rr == 4'hf) ? STATE_OFF : STATE_ON_SHAKE;
STATE_ON_SHAKE : n_state = (row_rr == 4'hf) ? STATE_OFF : (cnt_10ms < T_10ms - 1'b1) ? STATE_ON_SHAKE : STATE_OUT_SCAN;
STATE_OUT_SCAN : n_state = STATE_SCAN_WAIT0;
STATE_SCAN_WAIT0 : n_state = STATE_SCAN_WAIT1;
STATE_SCAN_WAIT1 : n_state = STATE_SCAN_WAIT2;
STATE_SCAN_WAIT2 : n_state = STATE_SCAN_WAIT3;
STATE_SCAN_WAIT3 : n_state = STATE_CHECK_PRESS;
STATE_CHECK_PRESS : n_state = (row_rr == 4'hf) ? (keyboard4x4_col == 4'b0111) ? STATE_OFF : STATE_OUT_SCAN : STATE_OFF_SHAKE;
STATE_OFF_SHAKE : n_state = (row_rr == 4'hf && cnt_10ms == T_10ms - 1'b1) ? STATE_OFF : STATE_OFF_SHAKE;
default : n_state = STATE_OFF;
endcase
end
根据上述的状态机，我们就可以找出来对应的行列位置。
always @ (posedge clk) begin
if (rst_n == 1'b0)
row_col <= 8'd0;
else
if (c_state == STATE_CHECK_PRESS && row_rr != 4'hf)
row_col <= {row_rr, keyboard4x4_col};
else
row_col <= row_col;
end
然后根据行列位置进行译码出对应的按键值。
always @ (posedge clk) begin
if (rst_n == 1'b0)
key_num <= 4'd0;
else
case (row_col)
8'b1110_1110 : key_num <= 4'd0;
8'b1110_1101 : key_num <= 4'd1;
8'b1110_1011 : key_num <= 4'd2;
8'b1110_0111 : key_num <= 4'd3;
8'b1101_1110 : key_num <= 4'd4;
8'b1101_1101 : key_num <= 4'd5;
8'b1101_1011 : key_num <= 4'd6;
8'b1101_0111 : key_num <= 4'd7;
8'b1011_1110 : key_num <= 4'd8;
8'b1011_1101 : key_num <= 4'd9;
8'b1011_1011 : key_num <= 4'd10;
8'b1011_0111 : key_num <= 4'd11;
8'b0111_1110 : key_num <= 4'd12;
8'b0111_1101 : key_num <= 4'd13;
8'b0111_1011 : key_num <= 4'd14;
8'b0111_0111 : key_num <= 4'd15;
default : key_num <= 4'd0;
endcase
end
使用时，根据标志是否为高以及对应的数值即可知道是是否有按键按下，并且知道是那个按键按下。
此项仿真较难，由于输入和输出有一定的相关关系，所以在仿真时，需要设计矩阵键盘的仿真模型keyboard4x4（下面链接会提供源码）。
keyboard4x4_drive keyboard4x4_drive_inst(
.clk (clk ), // 100MHz
.rst_n (rst_n ),
.keyboard4x4_row (keyboard4x4_row),
.keyboard4x4_col (keyboard4x4_col),
.key_num (key_num ),
.flag_key (flag_key )
);
keyboard4x4 keyboard4x4_inst(
.press_num (press_num ),
.keyboard4x4_col (keyboard4x4_col),
.keyboard4x4_row (keyboard4x4_row)
);
利用task语句模拟按键的抖动和按下。initial begin
rst_n = 1'b0;
press_num = 5'd16;
# 1001
rst_n = 1'b1;
# 2000;
press_data(5'd15);
press_data(5'd14);
press_data(5'd13);
press_data(5'd12);
press_data(5'd11);
press_data(5'd10);
press_data(5'd9);
press_data(5'd8);
press_data(5'd7);
press_data(5'd6);
press_data(5'd5);
press_data(5'd4);
press_data(5'd3);
press_data(5'd2);
press_data(5'd1);
press_data(5'd0);
$stop;
end
task press_data;
input [4:0] data;
begin
repeat (5) begin
press_num = data;
# 10000;
press_num = 5'd16;
# 10000;
end
press_num = data;
# 15_000_000;
repeat (5) begin
press_num = data;
# 10000;
press_num = 5'd16;
# 10000;
end
press_num = 5'd16;
# 30_000_000;
end
endtask
在press_num给16，即表示按键的释放。通过快速释放和按下，模拟的抖动。
通过仿真图可以看出来，我们检测出来了正确的结果。
下板测试的话，我们可以将矩阵键盘与FPGA连接好，然后将检测出来的值放到数码管或者led上，用于显示数值，在此我选择led（因为懒的写数码管了）。
按下按键K6后，四个led呈现灭亮亮灭；led的驱动原理为高电平点亮，低电平熄灭；故而此时为0110，即为数字6。
按下其他的按键也可以正确显示，故而验证设计正确。
文章同款矩阵键盘购买链接：
https://item.taobao.com/item.htm?abbucket=10&id=796054801643&ns=1&priceTId=215044ff17157343140338659e0404&spm=a21n57.1.item.14.1d4a523cRO1waY
讲解和演示视频链接如下：
https://www.bilibili.com/video/BV1YH4y1u7ye/?vd_source=b5405faeab8632f02533bcbfc5e52e55
本设计所有内容（设计代码、设计工程）链接为：
链接：https://pan.baidu.com/s/1x9pP6Z0gGkR77XG8kFXvRA
提取码：mroh
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