基于CPLD的矩阵键盘扫描模块设计

在基于PC104的便携式野外测试设备的设计中，键盘是常用的输入设备。对于便携式设备野外工作时，一般使用小型(4x4)矩阵键盘就能满足设备的信息输入需要；室内调试时，使用标准PS2键盘更方便、灵活。一般的做法是保留PC104的键盘接口用于接标准键盘，利用扩展I／O接口完成小矩阵键盘的扫描和输入。这样做虽然可以实现设备双键盘同时工作的功能，却需耗费大量的CPU处理时间扫描矩阵键盘，造成CPU处理其他信息的能力下降。而本文设计的基于CPLD的矩阵键盘扫描模块能够很好地解决上述问题。

1 矩阵键盘扫描原理
图1给出了4x4矩阵键盘的电路图，在图1中KX[3．．0]为扫描码输入，KY[3．．0]为扫描码输出。键盘扫描开始时，首先置KX[3．．0]=“0000”；键盘扫描码寄存器和键盘扫描码缓存器Kreg[15．．0]和Kscan[15．．0]置成“1111111111111111”(全1为没有键按下，有键按下时至少有一位为O)，一旦有键按下，KY[3..0]输出不全为“O”的扫描码触发键盘扫描功能开始键盘扫描，扫描开始后，依次将KX3、KX2、KX1、KX0置“0”，分别将对应的4组KY[3..0]输入值保存于Kscan[15．．12]、Kscan[11..8]、Kscan[7．．4]、Kscan[3．．0]中，而后比较Kscan和Kreg的大小，如果Kscan小于Kreg，将Kscan保存于Kreg中，重复上述扫描过程直到Kscan[15..0]各位输出全为“1”时，说明按下的键全部抬起，Kreg[15．．0]中的每一个为“0”的位对应一个按下的键，保留扫描过程中的Kreg最小值就可以处理组合键。根据记录的Kreg值可以判断是哪个或哪几个键按下，据此编码按键值后输出。将KX[3..0]置为“0000”，等待下一次按键发生。

2 基于CPLD的4x4矩阵键盘扫描模块设计
根据上述扫描原理和工作流程，如果以PC104 CPU实现上述矩阵键盘的扫描过程，那么在有键按下后，CPU必须不停地扫描矩阵键盘电路，在此期间不能进行其他工作，降低了CPU工作效率，且CPU连续高速运转增加系统功耗。
本文的目的就是在不需要CPU参与的条件下以CPLD完成矩阵键盘按键事件触发、按键的扫描定位以及按键的编码和键值输出工作，CPU只需要定时查询有无键按下并读走按下键的按键值送入键盘缓冲区。这样就使CPU从繁重的矩阵键盘扫描工作中解脱出来。根据上述键盘扫描工作原理，基于CPLD的4x4矩阵键盘扫描模块功能框图如图2所示。

图中，模块KeyTri在时钟信号CLK的控制下实现按键事件触发和矩阵键盘扫描时序产生功能；模块keycode在时钟信号CLK和扫描时序码SCode的控制下完成输出键盘扫描码KX，同时记录16位键盘扫描数据等工作，并在所有键抬起后对按下的键编码完成输出功能；模块nread实现按键码的暂存、按键状态的置位和清除以及矩阵键盘的使能；模块PCPORT完成矩阵键盘与CPU的接口；模块OSC与CreatClock产生控制键
盘扫描模块工作的3 KHz时钟信号CLK。
2．1 键盘扫描触发模块(KeyTri)的功能与时序仿真
键盘扫描过程中，扫描信号不停变化，以判断键盘按键的按下和抬起。高速变化的键盘扫描信号不仅使系统功耗增加，而且还会对其他敏感电路造成干扰。因此在本设计中将键盘扫描模式设计成键按下触发扫描方式，只有当键盘有键按下后，才触发键盘扫描电路产生扫描键盘时序，所有键都放开后，停止对键盘的扫描，使电路处于相对静止状态，以减少对其他电路的干扰。
键盘按下时会有抖动，在按键抖动时扫描键盘，可能会使键盘扫描电路产生误判，因此在键盘按下与开始扫描之间应加入一段延时，延时结束后按键仍处于按下状态，才允许开始键盘扫描，这样做可以最大限度地避免扫描电路的误判和漏判。
键盘扫描触发模块实现的功能为：在KX=0000的状态下，如果有任意一个键被按下，KY必然不全为‘1’，触发延时功能开始延时，延时结束后，如果KY仍不全为‘1’，说明该按键事件有效，启动扫描时序产生1H～BH的4位循环扫描时序码，控制后续的键盘扫描电路对键盘扫描，当ReSet变低时，立即将扫描时序码置为OH，停止本次键盘扫描并等待下一次键盘按下事件到来。键盘扫描触发模块的VHDL语言实现如下：