矩阵键盘驱动设计 | Phillweston Blog

AI summary

矩阵键盘驱动设计包括独立按键和矩阵键盘的比较，强调在按键数量较少时使用独立按键，而在数量较多时使用矩阵键盘。设计中涉及硬件电路与驱动电路的关系，以及矩阵键盘的工作原理和设计分析，最后提供了练习以加深理解。

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Sep 24, 2024 03:03 PM

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一：常用的按键在生活中处理方式

独立按键（机械开关）

特性：当按下按键时，按键不会马上稳定的接通，会伴随有一连串的抖动；

当按键抬起时，按键不会马上稳定的断开，会伴随有一连串的抖动。

独立按键板卡原理图：

占用I/O资源

当按键比较少时（低于10个按键），往往都会采用独立按键布局（简单）。

特点：一个独立按键对应一个I/O；有多少按键需要多少I/O。

当按键个数较多时（10个以上），往往不会采用独立按键布局。

矩阵键盘（机械开关）

特性：当按下按键时，按键不会马上稳定的接通，会伴随有一连串的抖动；

当按键抬起时，按键不会马上稳定的断开，会伴随有一连串的抖动。

矩阵键盘板卡原理图：

占用I/O资源

矩阵键盘中，采用行和列来表明当前的按键（第一行第一列：第一个按键）；按键的多少取决于行和列。

独立按键I/O	矩阵键盘I/O	说明
4:4	4:4
10:10	10:7	10个按键以下采用独立按键
16::16	16:8	16个按键（几十按键）采用矩阵键盘
100:100	100:20	上百个按键：编码芯片/接口协议

编码芯片/接口协议

接口协议：PS2/USB2.0/USB3.0协议。

协议标准，具体可以参考器件手册。

总结：

（1）当按键个数较少时（10个以下），采用独立按键方式，价格便宜，布局简单。

（2）当按键个数较多时（16个/几十），采用矩阵键盘方式，价格便宜，布局矩阵。

（3）当按键特别多时（上百个），采用编码芯片/接口协议，价格昂贵，实现起来难。

二：硬件电路和驱动电路概念/关系

硬件电路

ZX-1板卡设备原理图（LED/数码管/按键/蜂鸣器…）。

驱动电路

驱动某些设备时FPGA代码。

硬件电路和驱动电路关系

在硬件电路中输入是驱动电路的输出，硬件电路中输出则是驱动电路的输入。

拓展：在芯片手册中，手册中端口描述方向时，在手册中是输入的，则驱动时是输出，反之，在手册中是输出的，则驱动时是输入。

三：矩阵键盘硬件电路和原理

ZX-1板卡矩阵键盘原理图：

在键盘电路当中，当按键不按时，行信号接有上拉电阻，为逻辑1；列信号处于悬空状态。

列信号只能给确定值（0/1），让行信号进行反馈。（键盘电路：行作为输出，列作为输入）。

假设列在键盘电路中输入全部为1，表示当前按键按下；

在按键不按下时，行信号由于有上拉，所以为逻辑1；当按键有按下时，列信号为逻辑1，按下时，按键左右两边导通，会导致行信号等于列信号的值，那么按下时行信号也为逻辑1；该方式不能判断按键是否有按下。

只能使得列信号必须输入低电平。

假设列信号全部为0（COL=4’h0），表示按键按下；

在按键不按下时，行信号由于有上拉，所以为逻辑1；当按键有按下时，列信号全部为逻辑0，按下时，按键左右两边导通，会导致行信号等于列信号的值，那么按下时行信号也为逻辑0（ROW=COL=0）；假设第二行行信号反馈为0（ROW[1]=0），只能够说明第二行有按键按下，由于4列全部为逻辑0，所以不能够说明第二行哪一列有按键按下。

只能使得列信号中有一列必须输入低电平，其它三列为高电平。

假设列信号只有1列为0（COL=4’b1110），表示按键按下；

在按键不按下时，行信号由于有上拉，所以为逻辑1；当按键有按下时，最低列信号为逻辑0（COL=4’b1110），按下时，按键左右两侧导通，会导致行信号等于列信号的值（ROW=COL=0）；假设第二行反馈为逻辑0（ROW[1]=0），可以说明第二行有按键按下，由于给定的最低列为逻辑0（COL[0]=0），即第二行第一列有按键按下。

总结：行作为键盘电路输出，列作为键盘电路输入。

低电平列扫描，行信号进行反馈。

由键盘电路原理可以检测出具体是矩阵键盘上哪一个按键按下；具体该按键键值数据是什么，是由按键的具体位置来决定的（ROW和COL），假设第一行和第一列（{ROW[0],COL[0]}），可以将其设置为0，依次类推，可以看到矩阵键盘按键编码（0~F）。

至于按键键值是什么，可以由设计人员来进行命名。

四：矩阵键盘设计分析

设计架构

设计分析

键盘电路过程

总结：低电平列扫描，行信号进行反馈。

第一步：判断按键是否按下，如果没有按键按下（ROW=4’b1111），等待按键按下，如果有按键按下（ROW!=4’b1111）。

第二步：对按下的按键进行消抖，采用软件消抖（延时10ms以上）；如果消抖完成，进行第三步，如果没有完成，则等待。

第三步：对按键进行检测（低电平列扫描），看哪一行反馈为低电平。

假设5按键按下，给COL[0]=1’b0，其余3列为高电平(COL[3:1]=3’b111)，检测第一列时，由于5不在第一列，所以行信号反馈为1，那就说明按下的按键不在第一列，则换下一列进行扫描，COL[1]=1’b0，检测第二列时，由于5在当前列，所以行信号反馈为0，则检测到5按键按下，检测结束。

第四步：记录当前按下的按键所在的位置，如果是5按键（第二行第二列），则表示为ROW_COL[7:0]={4’b1101,4’b1101}，保存位置即可。

第五步：可以对记录的按键位置进行编码（按照原理图的编码：0~F）

第六步：判断按键是否抬起，准备抬起动作（COL=4’h0），判断行信号是否为逻辑1（ROW=4’b1111），代表矩阵键盘中没有按键处于按下状态，也可以说明按键抬起。

第七步：对抬起的按键进行消抖，采用软件消抖（延时10ms以上）；如果消抖完成，按键动作结束，如果没有完成，则等待。

每一次按键过程满足上述1~7步骤。