1、前言

本次設計了一個低功耗的矩陣鍵盤驅動電路驅動一個 16 鍵（ 4x4  ）的矩陣鍵盤。每個按鍵對應 0~15 的一個值成為按鍵對應的鍵值。當某個按鍵被按下時，輸出該按鍵對應的鍵值；按鍵被釋放後，該鍵值不再輸出。

2、鍵盤電路分析

如下圖，鍵盤電路中共有 16 個按鍵，採用了 8 根線連線到了FPGA，包括行檢測訊號  ROW[3:0] 、列掃描訊號 COL[3:0]。

鍵盤驅動電路的設計思想是：

1、FPGA 把列掃描訊號訊號 COL[3:0] 分別置為 4'b1110、4'b1101、4'b1011、4'b0111對 4 列按鍵依次迴圈掃描， 通過檢測行訊號 ROW[3:0] 每一位的電平來檢測有無按鍵被按下。

2、當COL[3:0] = 4'b1110，即當前時刻正在掃描第一列的 4 個按鍵，如果檢測到 ROW[3:0] 為 4'b1111，說明第一列無按鍵被按下；如果檢測到 4'b11110，說明第一個按鍵被按下。其它按鍵以此類推。

3、問題說明：當 COL[3:0] = 4'b1110時，FPGA正在掃描第一列按鍵，如果此時我們按下第二、三、四列中的任意一個按鍵，由於COL[1]、COL[2]、COL[3] 的電平為 1 ，所以在 ROW[3:0] 訊號中檢測不到低電平，即按鍵無效。

以上是按鍵掃描的核心思想。

 3、功耗優化設計

在第 2 小節中，我們已經完成了鍵盤的掃描設計，但是由於鍵盤驅動電路一直處於掃描狀態，增加了額外的功耗。但在實際中，考慮到按鍵在使用時不會被長期執行按下、釋放操作。所以不需要讓鍵盤驅動電路長期處於掃描狀態，而應該使其處於低功耗或者待機狀態。因此採用如下設計來降低功耗：

1、我們把訊號 COL[3:0] 賦值為 4'b0000，如果無按鍵被按下，ROW[3:0] 會一直為 4'b1111；如果當 16 個按鍵的任意一個被按下時，ROW[3:0] 訊號都不會再等於 4'b1111。通過此種設計來讓鍵盤驅動電路在剛開始時處於非掃描狀態，以降低功耗。同時有效的檢測有無按鍵被按下。

2、如果檢測到 ROW[3:0] 訊號不等於 4'b1111，表明按鍵被按下。此時需要判斷是抖動導致還是按鍵被按下，我們在長達 5ms 的時間內持續檢測 ROW 的值，如果在這 5ms 內均不等於 4'b1111，表明按鍵確定被按下（如果是抖動，抖動時間小於5ms，持續檢測 5ms 可濾除抖動）。

3、我們在確定有按鍵被按下後，需要啟動掃描以判斷是哪個按鍵被按下。此時我們將 COL[3:0] 依次賦值為 4'b1110、 4'b1101、 4'b1011、 4'b0111 掃描 4 列按鍵，當掃描到某列按鍵時，如果ROW[3:0] 訊號不等於 4'b1111 表明該列的按鍵被按下，該列具體的按鍵為 ROW[3:0] 中為低電平的 bit 位，從而確定該列的哪個按鍵。

4、在通過掃描得到按下的按鍵對應鍵值後，我們將 COL[3:0] 再賦值為 4'b0000，再次進入低功耗狀態，同時判斷 ROW 訊號是否為 4'b1111，如果不為 4'b1111，說明按鍵未被釋放；如果為 4'b1111，表明按鍵被釋放，此時持續檢測 ROW 長達 5ms，排除抖動的影響，在 5ms 後，如果仍為 4'b1111，說明按鍵釋放有效，回到初始狀態。

4、狀態機設計

低功耗待機  —> 5ms持續掃描確定按鍵有效  —> 列掃描一遍按鍵，得出鍵值，進入低功耗，並檢測按鍵是否被釋放  —> 如果被釋放，5ms持續檢測確定釋放有效  —> 低功耗狀態。

5、總結