基于VHDL的矩陣鍵盤及顯示電路設計

FPGA／CPLD在數字系統設計中的廣泛應用，影響到了生產生活的各個方面。在FPGA／CPLD的設計開發中，VHDL語言作為一種主流的硬件描述語言，具有設計效率高，可靠性好，易讀易懂等諸多優點。作為一種功能強大的FPGA／CPLD數字系統開發環境，Altera公司推出的Quar-tUSⅡ，為設計者提供了一種與結構無關的設計環境，使設計者能方便地進行設計輸入、快速處理和器件編程，為使用VHDL語言進行FPGA／-CPLD設計提供了極大的便利。矩陣鍵盤作為一種常用的數據輸入設備，在各種電子設備上有著廣泛的應用，通過7段數碼管將按鍵數值進行顯示也是一種常用的數據顯示方式。在設計機械式矩陣鍵盤控制電路時，按鍵防抖和按鍵數據的譯碼顯示是兩個重要方面。本文在QuartusⅡ開發環境下，采用VHDL語言設計了一種按鍵防抖并能連續記錄并顯示8次按鍵數值的矩陣鍵盤及顯示電路。

1 矩陣鍵盤及顯示電路設計思路
矩陣鍵盤及顯示電路能夠將機械式4×4矩陣鍵盤的按鍵值依次顯示到8個7段數碼管上，每次新的按鍵值顯示在最右端的第O號數碼管上，原有第0～6號數碼管顯示的數值整體左移到第1～7號數碼管上顯示，見圖1。總體而言，矩陣鍵盤及顯示電路的設計可分為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，然后根據行及列的掃描結果進行譯碼。
(2)機械式按鍵的防抖設計。由于機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，在信號抖動時間內無法有效判斷按鍵值，因此按鍵的防抖設計是非常關鍵的，也是該設計的一個重點。
(3)按鍵數值的移位寄存。由于該設計需要在8個數碼管上依次顯示前后共8次按鍵的數值，因此對已有數據的存儲和調用也是該設計的重點所在。
(4)數碼管的掃描和譯碼顯示。由于該設計使用了8個數碼管，因此需要對每個數碼管進行掃描控制，并根據按鍵值對每個數碼管進行7段數碼管的譯碼顯示。

2 矩陣鍵盤及顯示電路的實現
本文所設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為數碼管地址掃描信號輸出端；seg7為數碼管顯示信號輸出端。
限于篇幅，在此不詳述所設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行詳細說明。