1 导言
按键作为一般的输入外设，在仪器仪表工业设备和家用电器中得到广泛使用。现在，按键输入电路Ⅲ首要有2种：一种对错扫描方法能够判别多键状况（允许多键一起动作），可是不适用于许多按键状况，所需I/0端口多；另一种是扫描阵列方法，适用于许多按键，但不能多键一起动作。因而，需求开发一种既合适许多按键又合适多键一起动作，并能节约单片机（MCU）的口线资源的多按键状况辨认体系。这儿提出一种使用FPGA的I/0端口数多和可编程的特色，选用VHDL言语的多按键状况辨认体系，完结辨认60个按键自在操作，并简化MCU的操控信号。
2 体系规划计划
FPGA是一种可编程逻辑器材，它具有杰出功用、极高的密度和极大的灵敏性，外围电路简略牢靠等特性。因而，该体系规划是由MCU、FPGA、按键等部分组成。60路按键信号进入FPGA单元，以供数据收集；FPGA处理收集到的数据信号，编码后写入内部FIFO。MCU经过I／O端口提取FIFO中的数据。模块经过电源接口向各个部分供电。其体系规划原理框图如图l所示。
2．1 FPGA装备电路
FPGA选用Altera公司EPF10K30ATC144，该器材内核选用3.3 V供电，端口电压为3．3V可接受5 V输入高电平，其作业频率高达100 MHz；有102个可用I／0端口，每个端口输入电流最高达25 mA，输出电流达25 mA；l728个逻辑单元（Les），12 288 bit的用户Flash存储器，可满意用户小容量信息存储，彻底满意体系规划要求。
因为FPGA依据RAM工艺技术，该器材丁作前需求从外部加载装备数据，需求一个外置存储器保存信息，选用可编程的串行装备器材EPC2．其供电电压为3．3 V。OE和nCS引脚具有内部用户可装备上拉电阻。FPGA的DCLK、DATA0、nCONFIG引脚信号均来自EPC2。体系上电后，首要FPGA初始化，nSTATUS、CONF_DONE置为低电平。nSTATUS置为低电平后复位，此刻EPC2的nCE为低电平，因而选取EPC2，然后数据流从DATA引脚输入到FPGA的DATAO引脚。装备完结后，FPGA将CONF_DONE置为高电平，而EPC2将DATA引脚置为高阻态。其FPGA装备电路如图2所示。
2．2 按键电路
图3为一路按键电路，共60个按键（i=1～60）。因为外界环境杂乱，按键引线长达6 m，维护二极管VDi：在外界搅扰信号大于VCC时导通起到维护FPGA的效果。电阻Ri上拉限流，按键未闭合状况下FPGA输入引脚一直处于高电平。
3 FPGA内部逻辑规划
FPGA内部功用分为扫描模块、编码模块、操控模块以及同步FIFO RAM模块，如图4所示。
图4中，K1~K60为60个按键的输入端，Scan为作业方法挑选信号，Ready为读准备好信号，RdClk为读时钟信号，Data［7：0］为数据输出，ModCtr为编码方法操控信号，FIFOWEn为FIFO RAM写使能信号，FIFOIn为FIFO RAM数据输入，State为按键状况扫描信号。其作业原理为：扫描模块周期扫描按键状况，其成果送入编码模块；编码模块依据方法操控信号ModCtr挑选编码方法编码，将其成果送入FIFO RAM；操控模块发生对FIFO RAM的读取操控信号；MCU可经过Readv、RdClk操控信号读取Data［7：0］数据线上的按键编号和状况数据。
3．1 扫描模块
扫描模块首要完结扫描按键状况输入和按键的软件去颤动。扫描按键状况输入是以5 m8为周期扫描60个输入引脚，将其成果存入60个两位状况移位寄存器。其代码为：
按键去抖有硬件和软件2种完结方法。为了节约本钱，充分发挥FPGA器材的功用，该体系规划选用软件去抖。图5为软件去颤动流程。图中State为2位状况移位寄存器，初始值为0，TimeDelay为延时计数器。
软件去颤动进程阐明：对状况寄存器的2位数值做异或运算，即m=State_1 Xor State_2。若m=l，阐明按键有动作，则令TImeDelay=1，发动延时计数；若m=O，标明按键处于去抖延时或许平稳状况。这时判别TImeDelay，若TImeDelay=0，则按键处于平稳状况；若0《TImeDelay《MaxDelay（最大延时设定值），则阐明处于去抖计数中，TimeDelay继续加1，当TimeDelav》MaxDelay时阐明按键现已平稳，将成果送入编码器模块。软件去抖要害代码如下：
3．2 编码模块
以0、l表明按键通断状况，60个按键则需求8个字节；在实践中单键动作的概率远远大于多键一起动作的概率，若只对状况发生变化的按键以8位编码方法传输按键信息，则一个按键只需传送一个字节，因而为尽可能地削减MCU的担负，进步实时性，规划为只在按键发生状况变化时才向MCU传输相应按键的编号和状况数据。其编码数据格式如图6所示。
状况位lbit，0表明按键闭合状况，1表明按键翻开；数据6bits，即0X01~OX3C别离表明1~60个按键；lbit偶校验位。这样传输一次数据就可完结按键编号和状况的传输。
编码器选用接连和随机2种作业方法。接连作业方法每次扫描后对一切按键顺次编码，并获取一切按键的当时状况；而随机作业方法在每次扫描后只对状况发生变化的按键编码。
3．3 操控模块
操控模块完结MCU与FPGA之间的功用操控，有2个效果：一是依据Scan信号挑选编码模块的作业方法，二是发生FIFO RAM的读取操作时序。
关于方法操控，Scan上升沿触发操控模块，使编码模块进入接连作业方法，扫描完结一周，操控模块发送操控信号使编码模块进入随机作业方法。
关于读取数据，操控模块依据FIFO RAM的Data［7：0］是否有数据，置位Ready信号。有数据，Ready为低电平；无数据，Ready为高电平。RdClk为读取时钟，相当于承认信号，每读完一个数据，发送一个脉冲。
3．4 FIFORAM模块
与MCU通讯的接口品种许多，可挑选串口、I2C、并口等方法，使用中可依据MCU资源以及项目本钱、进展等具体状况挑选最合适的一种方法。该体系规划使用同步FIF0 RAM并口传输。FIF0 RAM模块选用EDA软件库中的规范模块。
4 仿真成果
选用Altera公司供给的Quartus II仿真东西，其集成有与硬件实时操作相吻合的硬件测验东西。归纳仿真成果如图7所示，体系时钟SysClk为12 kHz，其仿真成果标明体系规划到达要求。
5 定论
提出依据FPGA器材，VHDL言语描绘的特别键盘规划计划处理远距离、涣散、多键动作状况辨认问题，极大节约PCB面积和MCU的I／0端口资源。模块中扫描推迟、扫描距离等参数可依据体系需求灵敏改动，FPGA器材使得电路功用的扩展便利，具有极高安稳性和灵敏性。这一计划已在实践项目中使用，经现场验证功用安稳牢靠。
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