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# 基础-4-矩阵键盘实验
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## 4.1 章节导读
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本章将介绍**矩阵键盘检测电路的设计与实现方法**，通过Verilog HDL语言完成4×4矩阵键盘的扫描识别模块，掌握**多键输入设备的行列扫描原理、消抖机制以及按键编码处理方式**。
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矩阵键盘作为常见的人机交互接口之一，广泛应用于嵌入式系统、数字电路和微控制器项目中。与独立按键不同，矩阵键盘在节省IO资源的同时，对扫描逻辑和时序处理提出了更高的要求。实验中我们将采用**逐行扫描法**，结合状态机与延时消抖手段，确保按键信息的准确采集。
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## 4.2 理论学习
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### 4.2.1 矩阵键盘结构
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<div> <!--块级封装-->
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<center> <!--将图片和文字居中-->
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<img src="./images/1.png"
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alt="无法显示图片时显示的文字"
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style="zoom:80%"/>
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<br> <!--换行-->
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图1.矩阵键盘原理图 <!--标题-->
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</center>
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</div>
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实验板8个引脚分别连接矩阵键盘的KEY1~KEY8，该矩阵键盘的原理如下：将KEY1~KEY4脚设置为输出引脚，KEY5~KEY8设置为输入引脚。以KEY1和KEY5为例，当没有按键按下时，KEY1和VCC之间是断路，此时R1为上拉电阻，电路几乎没有电流流过，KEY5检测到的电压恰好是VCC，为1。**所以按键不按下，KEY5~KEY8检测到1。**
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如果按键按下。此时KEY5~KEY8检测到的值与KEY1~KEY4的输出电压有关。以KEY1和KEY5为例，如果KEY1输出为0，按键1按下，VCC和KEY1之间形成通路，KEY5检测到0。但如果KEY1输出为1，此时即使按键按下，VCC和KEY1之间也几乎没有电流，此时KEY5检测到高阻态，也就是1。所以，**如果行输出电平为0，并且按键按下，KEY5~8会检测到0；如果行输出电平为1，按键按下，KEY5~8检测到1。**
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现在我们看懂了原理图就可以开始设计verilog，根据原理图我们知道，只有行电平（KEY1~4的输出电平）为0时，按键按下，KEY5~8才会检测到0。那么我们可以用行扫描的逻辑设计：
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1. FPGA按顺序将1到4行中的一行输出为低电平，其余3行为高电平（或高阻态）。
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2. FPGA逐个读取每列引脚（KEY5~8）的电平，若某列为低电平，则说明该行和该列交汇处的按键被按下。
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3. 可以在没有按键按下时，把所有行的输出电平都拉低，直到有按键按下时，重复1~2的步骤扫描。
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## 4.2 实战演练
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### 4.3.1 系统架构
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``` verilog
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系统框图：
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[Top模块] = {矩阵键盘扫描模块 → 按键上升沿检测模块}
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```
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### 4.3.2 模块设计
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根据上述原理，设计行扫描矩阵键盘检测模块如下：
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#### matrix_key
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```verilog
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module matrix_key #(
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parameter ROW_NUM = 4,
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parameter COL_NUM = 4,
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parameter DEBOUNCE_TIME = 2000,
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parameter DELAY_TIME = 200
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) (
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input wire clk,
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input wire rstn,
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output reg [ROW_NUM-1:0] row,
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input wire [COL_NUM-1:0] col,
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output reg [ROW_NUM*COL_NUM-1:0] key_out
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);
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localparam ROW_ACTIVE = 1'b0; // 行有效电平
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localparam ROW_INACTIVE = 1'b1; // 行无效电平
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localparam COL_PRESSED = 1'b0; // 列按下电平
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localparam COL_RELEASED = 1'b1; // 列释放电平
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reg [ROW_NUM-1:0][COL_NUM-1:0] key; // 按键状态寄存器
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reg [2:0] cu_st, nt_st;
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localparam [2:0] ST_IDLE = 3'b001;
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localparam [2:0] ST_SCAN = 3'b010;
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localparam [2:0] ST_DEBOUNCE = 3'b100;
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wire btn_pressed = ((|(~(col ^ {COL_NUM{COL_PRESSED}}))) && (cu_st == ST_IDLE)) || (key_out != 0); // 只要有一个按键按下，btn_pressed为1
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reg [31:0] delay_cnt; // 延时计数器
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reg [31:0] debounce_cnt; // 消抖计数器
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reg [ROW_NUM-1:0] row_cnt; // 行计数器
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always @(posedge clk or negedge rstn) begin
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||||
if(!rstn) delay_cnt <= 0;
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||||
else if(cu_st == ST_SCAN) begin
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||||
if(delay_cnt == DELAY_TIME) delay_cnt <= 0;
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||||
else delay_cnt <= delay_cnt + 1;
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||||
end else delay_cnt <= 0;
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||||
end
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||||
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||||
always @(posedge clk or negedge rstn) begin
|
||||
if(!rstn) row_cnt <= 0;
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||||
else if(cu_st == ST_SCAN) begin
|
||||
if(delay_cnt == DELAY_TIME) row_cnt <= row_cnt + 1;
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||||
else row_cnt <= row_cnt;
|
||||
end else row_cnt <= 0;
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||||
end
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||||
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||||
always @(posedge clk or negedge rstn) begin
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||||
if(!rstn) debounce_cnt <= 0;
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||||
else if(cu_st == ST_DEBOUNCE) begin
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||||
if(debounce_cnt == DEBOUNCE_TIME) debounce_cnt <= 0;
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||||
else debounce_cnt <= debounce_cnt + 1;
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||||
end else debounce_cnt <= 0;
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||||
end
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/*
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处理逻辑
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ROW作为输出，COL作为输入
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1. ST_IDLE状态，所有ROW都拉至有效电平
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2. 若没有按键按下，所有COL都为释放电平
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3. 若有按键按下，按下的按键所在的COL会变为按下电平
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4. 进入ST_SCAN状态，启动扫描，ROW全部置为无效电平，并逐次改变为有效电平。（此时，COL会都变成列释放电平）
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5. 如果某一个ROW行有效电平时，COL变成了列按下电平，则说明该ROW和COL交点的按键被按下
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6. 每一行都扫描一遍。
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7. 进入ST_DEBOUNCE状态，所有ROW都拉至行有效电平，在此期间不进行扫描。
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8. DEBOUNCE时间到后，进入IDLE状态。
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*/
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always @(posedge clk or negedge rstn) begin
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||||
if(!rstn) cu_st <= ST_IDLE;
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||||
else cu_st <= nt_st;
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||||
end
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||||
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always @(*) begin
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||||
if(!rstn) nt_st <= ST_IDLE;
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||||
else case(cu_st)
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ST_IDLE: begin
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||||
if(btn_pressed) nt_st <= ST_SCAN;
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||||
else nt_st <= ST_IDLE;
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||||
end
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||||
ST_SCAN: begin
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||||
if((delay_cnt == DELAY_TIME) && (row_cnt == ROW_NUM-1)) nt_st <= ST_DEBOUNCE;
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||||
else nt_st <= ST_SCAN;
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||||
end
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||||
ST_DEBOUNCE: begin
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||||
if(debounce_cnt == DEBOUNCE_TIME) nt_st <= ST_IDLE;
|
||||
else nt_st <= ST_DEBOUNCE;
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||||
end
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||||
default: nt_st <= ST_IDLE;
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endcase
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||||
end
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integer i, j;
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always @(posedge clk or negedge rstn) begin
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if(!rstn) key <= 0;
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||||
else for(i=0; i<ROW_NUM; i=i+1)
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||||
for(j=0; j<COL_NUM; j=j+1)
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||||
if((cu_st == ST_SCAN) && (delay_cnt == DELAY_TIME) && (row_cnt == i)) key[i][j] <= (col[j] == COL_PRESSED)?(1'b1):(1'b0);
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||||
else key[i][j] <= key[i][j]; // 其他情况不变
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||||
end
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||||
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||||
always @(*) begin
|
||||
for(i=0;i<ROW_NUM;i=i+1) begin
|
||||
for(j=0;j<COL_NUM;j=j+1) begin
|
||||
key_out[i*COL_NUM+j] <= key[i][j];
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||||
end
|
||||
end
|
||||
end
|
||||
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||||
always @(posedge clk or negedge rstn) begin
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||||
if(!rstn) row <= {ROW_NUM{ROW_ACTIVE}};
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||||
else if(cu_st == ST_IDLE && nt_st == ST_SCAN) row <= {{(ROW_NUM-1){ROW_INACTIVE}}, ROW_ACTIVE};
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||||
else if(cu_st == ST_SCAN) begin
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||||
if(delay_cnt == DELAY_TIME) row <= {row[ROW_NUM-1:0],ROW_INACTIVE};
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||||
else row <= row;
|
||||
end else row <= {ROW_NUM{ROW_ACTIVE}};
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||||
end
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endmodule //matrix_key
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```
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为了能够观察到现象，使用板载8个led和实验箱8个led进行显示，按下矩阵键盘的按键，对应led就会亮，顶层文件如下所示：
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#### matrix_key_top
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```verilog
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module matrix_key_top(
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//system io
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input wire external_clk ,
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input wire external_rstn,
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input wire [ 3:0] col,
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output wire [ 3:0] row,
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output wire [15:0] led
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);
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wire [15:0] key_out;
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assign led = key_out;
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matrix_key #(
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.ROW_NUM ( 4 ),
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.COL_NUM ( 4 ),
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.DEBOUNCE_TIME ( 10000 ),
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||||
.DELAY_TIME ( 2000 ))
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||||
u_matrix_key(
|
||||
.clk ( external_clk ),
|
||||
.rstn ( external_rstn ),
|
||||
.row ( row ),
|
||||
.col ( col ),
|
||||
.key_out ( key_out )
|
||||
);
|
||||
endmodule
|
||||
```
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### 4.3.3 上板验证步骤
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1. 设置参数：CLK_CYCLE=5000（对应200Hz扫描频率）
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2. 绑定管脚：连接led和矩阵键盘管脚
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## 4.4 章末总结
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**关键收获：**
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1. 掌握矩阵键盘行扫描原理，能看懂原理图
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3. 学习时序控制中计数器的重要作用
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## 4.5 拓展训练
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可以将数码管与矩阵键盘相结合
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