《智能仪器设计报告——基于单片机和fpga的矩阵键盘控制系统设计曾翔君老师》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能仪器设计报告——基于单片机和fpga的矩阵键盘控制系统设计曾翔君老师（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、目 录1. 概述 .- 1 -2. 89C51 单片机简介.- 1 -3. FPGA 简介.- 2 -4. 矩阵键盘控制系统 .- 3 -4.1. FPGA 设计框图.- 3 -4.2. 单片机硬件实现 .- 4 -4.3. 键盘控制系统子模块 .- 4 -4.3.1 矩阵键盘原理 .- 4 -4.3.2 时钟分频模块 .- 5 -4.3.3 键盘扫描模块 .- 6 -4.3.4 译码转换及三态门输出模块 .- 6 -4.3.5 单片机及液晶显示模块部分 .- 7 -5. 仿真及结果分析 .- 9 -5.1 分频模块时序仿真 .- 9 -5.2 键盘扫描模块 .- 9 -5.3 译码输出模块
2、.- 9 -5.4 单片机与液晶显示器模块 .- 10 -6. 参考文献 .- 11 -致 谢 .- 12 -附 录 .- 13 -智能仪器设计大作业基于单片机和 FPGA 的矩阵键盘控制系统设计 - 1-1. 概述随着可编程逻辑器件及 EDA 技术的发展，在系统设计中经常会用到 FPGA 来扩展单片机的相关资源。单片机具有性价比高、功能灵活、易于人机对话、强大的数据处理能力等特点；而 FPGA 则具有高速、高可靠性以及开发便捷、规范等特点，因此两类器件相结合的电路结构应在许多高性能仪器仪表和电子产品中将被广泛应用。根据两者的特点，设计一种基于 89C51 单片机与 FPGA 的总线接口逻辑电
3、路，实现对机械式键盘按键的检测和译码输出。本系统主要分为四大部分：89C51 芯片、FPGA 模块、矩阵键盘和液晶显示器。其中 FPGA 模块主要实现与矩阵键盘接口并发信号对其扫描并得到信号等复杂的逻辑功能，89C51 芯片实现将 FPGA 芯片传来的信号并将其对其信号识别然后将其传给显示器，驱动液晶显示器显示。2. 89C51 单片机简介89C51 是 Intel 公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括：一个 8 位的微型处理器 CPU；一个 256K 的片内数据存储器 RAM；片内程序存储器 ROM；四个 8 位并行的 I/O 接口 P0-
4、P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工 UART 的串行 I/O 口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率是 12MHZ。以上各个部分通过内部总线相连接。中央处理器 CPU 是单片微型计算机的指挥、执行中心，由它读人用户程序，并逐条执行指令。有的指令涉及到各个寄存器之间的关系；有的指令涉及到单片机核心电路内部各功能部件之间的关系；有的则与外部器件如外部程序存储器发生联系。89C5l 单片机的一个执行周期由 6 个状态(s1s6)组成，每个状态又持续2 个振荡周期，分为 P1 和 P2 两个节拍。这样，一
5、个机器周期由 12 个振荡周期组成。若采用 12MHz 的晶体振荡器，则每个机器周期为 1us，每个状态周期为16us；在一数情况下，算术和逻辑操作发生在 N 期间，而内部寄存器到寄存器的传输发生在 P2 期间。89C5l 单片机的 40 个引脚中有 2 个专用于主电源引脚，2 个外接晶振的引脚，4 个控制或与其它电源复用的引脚，以及 32 条输入输出 I/O 引脚。由于单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第 2 功能；单片机对外呈 3 总线形式，由 P2、P0口组成 16 位地址总线；由 P0口分时复用作为数据总线。智能仪器设计大作业基于单片机和 FPGA 的矩阵键盘控制系统设计 - 2
6、 -3. FPGA 简介FPGA（Field Programmable Gate Array） ，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB（Configurable Logic Block） 、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。
7、FPGA 的基本特点主要有： 1）采用 FPGA 设计 ASIC 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片； 2）FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片； 3）FPGA 内部有丰富的触发器和 IO 引脚； 4）FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一； 5) FPGA 采用高速 CHMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS、TTL 电平兼容。FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的 RAM 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，FPGA 芯片将 EPROM 中数
8、据读入片内编程 RAM 中，配置完成后，FPGA 进入工作状态。掉电后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA 能够反复使用。FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器，只须用通用的 EPROM、PROM 编程器即可。当需要修改 FPGA 功能时，只需换一片 EPROM 即可。这样，同一片 FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA 的使用非常灵活。 智能仪器设计大作业基于单片机和 FPGA 的矩阵键盘控制系统设计- 3 -4. 矩阵键盘控制系统4.1. FPGA 设计框图FPGA 电路的设计，包括对时钟进行分频，对键盘进行连续扫描，再进一步通过译码等操
9、作，确定按键的位置，译码输出。并进一步将译码得到的 8 位二进制数经过一个三态门，通过中断信号和 RD 信号的控制，实现单片机和 FPGA的 8 位数据信号的互连。FPGA 总体设计框图如图 4-1 所示。图 4-1 FPGA 总体设计框图智能仪器设计大作业基于单片机和 FPGA 的矩阵键盘控制系统设计- 4 -4.2. 单片机硬件实现89C5l 单片机接收从 FPGA 模块传送过来的信号，并对信号进行识别，然后驱动液晶显示器显示信号所代表的按键。单片机硬件接线图如图 4-2 所示。图 4-2 单片机硬件接线图4.3. 键盘控制系统子模块4.3.1 矩阵键盘原理矩阵键盘又叫行列式键盘。用带 I
10、O 口的线组成行列结构，按键设置在行列的交点上。例如用 33 的行列式结构可以构成 9 个键的键盘。这样，当按键数量平方增长时，I/O 口只是线性增长，这样就可以节省 I/O 口。按键设置在行列线交叉点，行列线分别连接到按键开关的两端。列线通过上拉电阻接 3.3V 电压，即列线的输出被默认设置为高电平状态，对应的二进制代码即为 1。判断键盘中有无按键按下式通过行线送入扫描信号然后从列线读取状态得到的。其方法是依次给行线送低电平，检查列线的输入。如果列线全是高电平，则代表低电平信号所在的行中无按键按下；如果列线有输入为低电平，则代表低电平信号所在的行和出现低电平的列的交点处有按键按下。矩阵键盘的
11、原理图如图 4-3 所示。智能仪器设计大作业基于单片机和 FPGA 的矩阵键盘控制系统设计- 5 -KEYI0KEYI1KEYI2KEYO0KEYO1KEYO2Vcc2 23 34 45 56 67 78 89 91 1图 4-3 矩阵键盘的原理图4.3.2 时钟分频模块时钟电路主要产生系统所需要的时钟信号，由 FPGA 时钟分频得到系统工作时钟，然后采用计数器分频方法得到所需要的键盘扫描信号。本次设计中循环的发送 3 种数值，即 011，101，110。具体的分频过程是将原来的 f=50Mhz 分频到现在的 f=50hz。本程序中采用了计数器分频的思路，把一个计数周期内的约定个数定为 1000000，在每次计数到约定个数的一半时，实现 1、0 之间的跃变。这样，就实现了对原频率 1/1000000 的分频。分频模块视图如图 4-4 所示。图 4-4 分频模块视图4.3.3 键盘扫描模块键盘扫描电路用来产生键盘扫描信号，根据矩阵键盘工作原理，需要产生智能仪器设计大作业基于单片机和 FPGA 的矩阵键盘控制系统设计- 6 -从第一列到第四列的周期性扫描信号。采用 Verilog 硬件语言设计扫描模块。键盘扫描模块可以周期性的得到行扫描信号 Keydry0Keydry2: 011101
