基于FPGA技术的多按键状态识别系统设计
1 引言
按键作为普通的输入外设，在仪器仪表工业设备和家用电器中得到广泛应用。目前，按键输入电路Ⅲ主要有2种：一种是非扫描方式可以判断多键状态(允许多键同时动作)，但是不适用于大量按键情况，所需I/0端口多；另一种是扫描阵列方式，适用于大量按键，但不能多键同时动作。因此，需要开发一种既适合大量按键又适合多键同时动作，并能节省单片机(MCU)的口线资源的多按键状态识别系统。这里提出一种利用FPGA的I/0端口数多和可编程的特点，采用VHDL语言的多按键状态识别系统，实现识别60个按键自由操作，并简化MCU的控制信号。
2 系统设计方案
FPGA是一种可编程逻辑器件，它具有良好性能、极高的密度和极大的灵活性，外围电路简单可靠等特性。因此，该系统设计是由MCU、FPGA、按键等部分组成。60路按键信号进入FPGA单元，以供数据采集；FPGA处理采集到的数据信号，编码后写入内部FIFO。MCU通过I／O端口提取FIFO中的数据。模块通过电源接口向各个部分供电。其系统设计原理框图如图l所示。
2．1 FPGA配置电路
FPGA采用Altera公司EPF10K30ATC144，该器件内核采用3.3 V供电，端口电压为3．3V可承受5 V输入高电平，其工作频率高达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，可满足用户小容量信息存储，完全满足系统设计要求。
由于FPGA基于RAM工艺技术，该器件丁作前需要从外部加载配置数据，需要一个外置存储器保存信息，采用可编程的串行配置器件EPC2．其供电电压为3．3 V。OE和nCS引脚具有内部用户可配置上拉电阻。FPGA的DCLK、DATA0、nCONFIG引脚信号均来自EPC2。系统上电后，首先FPGA初始化，nSTATUS、CONF_DONE置为低电平。nSTATUS置为低电平后复位，此时EPC2的nCE为低电平，因此选取EPC2，从而数据流从DATA引脚输入到FPGA的DATAO引脚。配置完成后，FPGA将CONF_DONE置为高电平，而EPC2将DATA引脚置为高阻态。其FPGA配置电路如图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)。由于外界环境复杂，按键引线长达6 m，保护二极管VDi：在外界干扰信号大于VCC时导通起到保护FPGA的作用。电阻Ri上拉限流，按键未闭合状态下FPGA输入引脚始终处于高电平。
3 FPGA内部逻辑设计
FPGA内部功能分为扫描模块、编码模块、控制模块以及同步FIFO RAM模块，如图4所示。
图4中，K1~K60为60个按键的输入端，Scan为工作模式选择信号，Ready为读准备好信号，RdClk为读时钟信号，Data[7：0]为数据输出，ModCtr为编码模式控制信号，FIFOWEn为FIFO RAM写使能信号，FIFOIn为FIFO RAM数据输入，State为按键状态扫描信号。其工作原理为：扫描模块周期扫描按键状态，其结果送入编码模块；编码模块根据模式控制信号ModCtr选择编码方式编码，将其结果送入FIFO RAM；控制模块产生对FIFO RAM的读取控制信号；MCU可通过Readv、RdClk控制信号读取Data[7：0]数据线上的按键编号和状态数据。
3．1 扫描模块
扫描模块主要完成扫描按键状态输入和按键的软件去抖动。扫描按键状态输入是以5 m8为周期扫描60个输入引脚，将其结果存入60个两位状态移位寄存器。其代码为：
按键去抖有硬件和软件2种实现方式。为了节省成本，充分发挥FPGA器件的功能，该系统设计采用软件去抖。图5为软件去抖动流程。图中State为2位状态移位寄存器，初始值为0，TimeDelay为延时计数器。
软件去抖动过程说明：对状态寄存器的2位数值做异或运算，即m=State_1 Xor State_2。若m=l，说明按键有动作，则令TimeDelay=1，启动延时计数；若m=O，表明按键处于去抖延时或者平稳状态。这时判断TimeDelay，若TimeDelay=0，则按键处于平稳状态；若0MaxDelay时说明按键已经平稳，将结果送入编码器模块。软件去抖关键代码如下：
3．2 编码模块
以0、l表示按键通断状态，60个按键则需要8个字节；在实际中单键动作的概率远远大于多键同时动作的概率，若只对状态发生变化的按键以8位编码方式传输按键信息，则一个按键只需传送一个字节，因此为尽可能地减少MCU的负担，提高实时性，设计为只在按键发生状态变化时才向MCU传输相应按键的编号和状态数据。其编码数据格式如图6所示。
状态位lbit，0表示按键闭合状态，1表示按键打开；数据6bits，即0X01~OX3C分别表示1~60个按键；lbit偶校验位。这样传输一次数据就可完成按键编号和状态的传输。
编码器采用连续和随机2种工作模式。连续工作模式每次扫描后对所有按键依次编码，并获取所有按键的当前状态；而随机工作模式在每次扫描后只对状态发生变化的按键编码。
3．3 控制模块
控制模块完成MCU与FPGA之间的功能控制，有2个作用：一是根据Scan信号选择编码模块的工作模式，二是产生FIFO RAM的读取操作时序。
对于模式控制，Scan上升沿触发控制模块，使编码模块进入连续工作模式，扫描完成一周，控制模块发送控制信号使编码模块进入随机工作模式。
对于读取数据，控制模块根据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，相当于确认信号，每读完一个数据，发送一个脉冲。
3．4 FIFORAM模块
与MCU通信的接口种类很多，可选择串口、I2C、并口等形式，应用中可根据MCU资源以及项目成本、进度等具体情况选择最合适的一种方式。该系统设计利用同步FIF0 RAM并口传输。FIF0 RAM模块采用EDA软件库中的标准模块。
4 仿真结果
采用Altera公司提供的Quartus II仿真工具，其集成有与硬件实时操作相吻合的硬件测试工具。综合仿真结果如图7所示，系统时钟SysClk为12 kHz，其仿真结果表明系统设计达到要求。
5 结论
提出基于FPGA器件，VHDL语言描述的特殊键盘设计方案解决远距离、分散、多键动作状态识别问题，极大节省PCB面积和MCU的I／0端口资源。模块中扫描延迟、扫描间隔等参数可根据系统需求灵活改变，FPGA器件使得电路功能的扩展方便，具有极高稳定性和灵活性。这一方案已在实际项目中应用，经现场验证性能稳定可靠。
按键作为普通的输入外设，在仪器仪表工业设备和家用电器中得到广泛应用。目前，按键输入电路Ⅲ主要有2种：一种是非扫描方式可以判断多键状态(允许多键同时动作)，但是不适用于大量按键情况，所需I/0端口多；另一种是扫描阵列方式，适用于大量按键，但不能多键同时动作。因此，需要开发一种既适合大量按键又适合多键同时动作，并能节省单片机(MCU)的口线资源的多按键状态识别系统。这里提出一种利用FPGA的I/0端口数多和可编程的特点，采用VHDL语言的多按键状态识别系统，实现识别60个按键自由操作，并简化MCU的控制信号。
2 系统设计方案
FPGA是一种可编程逻辑器件，它具有良好性能、极高的密度和极大的灵活性，外围电路简单可靠等特性。因此，该系统设计是由MCU、FPGA、按键等部分组成。60路按键信号进入FPGA单元，以供数据采集；FPGA处理采集到的数据信号，编码后写入内部FIFO。MCU通过I／O端口提取FIFO中的数据。模块通过电源接口向各个部分供电。其系统设计原理框图如图l所示。
2．1 FPGA配置电路
FPGA采用Altera公司EPF10K30ATC144，该器件内核采用3.3 V供电，端口电压为3．3V可承受5 V输入高电平，其工作频率高达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，可满足用户小容量信息存储，完全满足系统设计要求。
由于FPGA基于RAM工艺技术，该器件丁作前需要从外部加载配置数据，需要一个外置存储器保存信息，采用可编程的串行配置器件EPC2．其供电电压为3．3 V。OE和nCS引脚具有内部用户可配置上拉电阻。FPGA的DCLK、DATA0、nCONFIG引脚信号均来自EPC2。系统上电后，首先FPGA初始化，nSTATUS、CONF_DONE置为低电平。nSTATUS置为低电平后复位，此时EPC2的nCE为低电平，因此选取EPC2，从而数据流从DATA引脚输入到FPGA的DATAO引脚。配置完成后，FPGA将CONF_DONE置为高电平，而EPC2将DATA引脚置为高阻态。其FPGA配置电路如图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)。由于外界环境复杂，按键引线长达6 m，保护二极管VDi：在外界干扰信号大于VCC时导通起到保护FPGA的作用。电阻Ri上拉限流，按键未闭合状态下FPGA输入引脚始终处于高电平。
3 FPGA内部逻辑设计
FPGA内部功能分为扫描模块、编码模块、控制模块以及同步FIFO RAM模块，如图4所示。
图4中，K1~K60为60个按键的输入端，Scan为工作模式选择信号，Ready为读准备好信号，RdClk为读时钟信号，Data[7：0]为数据输出，ModCtr为编码模式控制信号，FIFOWEn为FIFO RAM写使能信号，FIFOIn为FIFO RAM数据输入，State为按键状态扫描信号。其工作原理为：扫描模块周期扫描按键状态，其结果送入编码模块；编码模块根据模式控制信号ModCtr选择编码方式编码，将其结果送入FIFO RAM；控制模块产生对FIFO RAM的读取控制信号；MCU可通过Readv、RdClk控制信号读取Data[7：0]数据线上的按键编号和状态数据。
3．1 扫描模块
扫描模块主要完成扫描按键状态输入和按键的软件去抖动。扫描按键状态输入是以5 m8为周期扫描60个输入引脚，将其结果存入60个两位状态移位寄存器。其代码为：
按键去抖有硬件和软件2种实现方式。为了节省成本，充分发挥FPGA器件的功能，该系统设计采用软件去抖。图5为软件去抖动流程。图中State为2位状态移位寄存器，初始值为0，TimeDelay为延时计数器。
软件去抖动过程说明：对状态寄存器的2位数值做异或运算，即m=State_1 Xor State_2。若m=l，说明按键有动作，则令TimeDelay=1，启动延时计数；若m=O，表明按键处于去抖延时或者平稳状态。这时判断TimeDelay，若TimeDelay=0，则按键处于平稳状态；若0
3．2 编码模块
以0、l表示按键通断状态，60个按键则需要8个字节；在实际中单键动作的概率远远大于多键同时动作的概率，若只对状态发生变化的按键以8位编码方式传输按键信息，则一个按键只需传送一个字节，因此为尽可能地减少MCU的负担，提高实时性，设计为只在按键发生状态变化时才向MCU传输相应按键的编号和状态数据。其编码数据格式如图6所示。
状态位lbit，0表示按键闭合状态，1表示按键打开；数据6bits，即0X01~OX3C分别表示1~60个按键；lbit偶校验位。这样传输一次数据就可完成按键编号和状态的传输。
编码器采用连续和随机2种工作模式。连续工作模式每次扫描后对所有按键依次编码，并获取所有按键的当前状态；而随机工作模式在每次扫描后只对状态发生变化的按键编码。
3．3 控制模块
控制模块完成MCU与FPGA之间的功能控制，有2个作用：一是根据Scan信号选择编码模块的工作模式，二是产生FIFO RAM的读取操作时序。
对于模式控制，Scan上升沿触发控制模块，使编码模块进入连续工作模式，扫描完成一周，控制模块发送控制信号使编码模块进入随机工作模式。
对于读取数据，控制模块根据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，相当于确认信号，每读完一个数据，发送一个脉冲。
3．4 FIFORAM模块
与MCU通信的接口种类很多，可选择串口、I2C、并口等形式，应用中可根据MCU资源以及项目成本、进度等具体情况选择最合适的一种方式。该系统设计利用同步FIF0 RAM并口传输。FIF0 RAM模块采用EDA软件库中的标准模块。
4 仿真结果
采用Altera公司提供的Quartus II仿真工具，其集成有与硬件实时操作相吻合的硬件测试工具。综合仿真结果如图7所示，系统时钟SysClk为12 kHz，其仿真结果表明系统设计达到要求。
5 结论
提出基于FPGA器件，VHDL语言描述的特殊键盘设计方案解决远距离、分散、多键动作状态识别问题，极大节省PCB面积和MCU的I／0端口资源。模块中扫描延迟、扫描间隔等参数可根据系统需求灵活改变，FPGA器件使得电路功能的扩展方便，具有极高稳定性和灵活性。这一方案已在实际项目中应用，经现场验证性能稳定可靠。