FPGA实现的矩阵键盘控制接口电路设计

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"矩阵键盘控制接口电路设计-毕业论文.doc" 这篇毕业论文主要探讨了如何在电子设计自动化（EDA）平台上，使用VHDL语言设计一个4×9矩阵键盘的控制接口电路。矩阵键盘是一种常见的输入设备，常用于各种电子设备中，如计算器、工业控制系统等。设计中涉及到的关键技术主要包括三个部分：扫描电路模块、时钟产生模块以及键盘译码电路和按键标志位产生电路。首先，扫描电路模块是整个设计的核心部分，它的任务是生成扫描信号，以逐行或逐列扫描键盘矩阵，检测是否有按键被按下。在矩阵键盘中，通过行线和列线的交叉点可以确定按键的位置。当某一个按键被按下时，对应的行线和列线会被短路，通过监测这种变化可以识别出按键的编码。其次，时钟产生模块至关重要，因为它提供了系统所需的时序信号。在矩阵键盘设计中，不同的时钟信号用于驱动扫描电路和译码电路的工作，确保它们能够协调一致地进行。例如，高频率的时钟可能用于快速扫描键盘，而低频率的时钟可能用于处理其他系统任务。再者，键盘译码电路和按键标志位产生电路的功能是辅助扫描电路进行按键检测，并生成按键状态的标志信号。当扫描电路检测到按键按下后，译码电路会解析出对应的按键编码，并将此信息转化为相应的标志位。这些标志位可以被外部处理器或微控制器读取，以判断用户输入的具体按键。 VHDL作为一种硬件描述语言，使得设计者可以直接对硬件逻辑进行编程，具有很高的抽象层次和灵活性。通过学习和应用VHDL，设计者不仅掌握了数字系统设计的基本原理，还提升了自身的编程能力和实践操作技能。关键词：现场可编程门阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）、矩阵键盘、仿真这篇论文的研究和实施，对于深入理解现代电子系统设计流程，特别是基于FPGA/CPLD的硬件设计有重大意义。它反映了自20世纪90年代以来，随着电子和计算机技术的进步，设计方法和工具的革新，以及EDA技术的快速发展，如何改变了传统设计模式，提高了设计效率和灵活性。

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兰州交通大学毕业设计（论文）

Candence 公司是一家著名的 EDA 公司，财力雄厚。该公司的 Verilog HDL 于 1983

年由 Gate Way Design Automatic 公司的 Phil Moorby 首创。他在 1984-1985 年间成功设

计了 Verilog-XL 仿真器，于 1986 年提出了快速门级仿真的 XL 算法，使 Verilog HDL

语言变得更加丰富和完善，从而受到了 EDA 工具设计公司的青睐。1989 年 Candence 公

司购买了 GDA 公司，Verilog HDL 语言从此变为 Candence 公司的“私有财产”成为

Candence 公司的 EDA 设计环境上的硬件描述语言。经过 Candence 公司的努力，

Verilog HDL 于 1995 年成为 IEEE 标准，也是民间公司第一个硬件描述语言标准，即

Verilog HDL 1364-1995。由于 Verilog HDL 语言从 C 语言发展来，所以有 C 语言基础的

设计人员能够较快入门。

ALTERA 公司是一家半导体器件公司，其 CPLD 器件在世界市场上占主导地位。

这家公司不仅是硬件生产厂商，也是 EDA 工具开发商，它的 EDA 工具 MAX+plus II、

Quartus 由于人机界面友好、易于使用、性能优良，而受到 FPGA、CPLD 器件设计人员

的欢迎。运行在 MAX+plus II 环境下的 VHDL 语言具有 C 语言设计风格，好学好用，

因此被众多用户使用。

HDL 语言来自不同地方，由不同语言演变而来，为了各平台之间相互转换，又推

出了 EDIF (Electronic Design Interchange Format)。它不是一种语言，而是用于不同数据

格式的 EDA 工具之间的交换设计数据。

2.1.2 VHDL 语言的优点

传统的硬件电路设计方法是采用自下而上的设计方法，即根据系统对硬件的要求，

详细编制技术规格书，并画出系统控制流图；然后根据技术规格书和系统控制流图，对

系统的功能进行细化，合理地划分功能模块，并画出系统的功能框图；接着就进行各功

能模块的细化和电路设计；各功能模块电路设计、调试完成后，将各功能模块的硬件电

路连接起来再进行系统的调试，最后完成整个系统的硬件设计。采用传统方法设计数字

系统，特别是当电路系统非常庞大时，设计者必须具备较好的设计经验，而且繁杂多样

的原理图的阅读和修改也给设计者带来诸多的不便。为了提高开发的效率，增加已有开

发成果的可继承性以及缩短开发周期，各 ASIC 研制和生产厂家相继开发了具有自己特

色的电路硬件描述语言(Hardware Description Language，简称 HDL)。但这些硬件描述

语言差异很大，各自只能在自己的特定设计环境中使用，这给设计者之间的相互交流带

来了极大的困难。因此，开发一种强大的、标准化的硬件描述语言作为可相互交流的设

计环境已势在必行。于是，美国于 1981 年提出了一种新的、标准化的 HDL，称之为

VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language，简称 VHDL。

兰州交通大学毕业设计（论文）

这是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。设计者可以利用这

种语言来描述自己的设计思想，然后利用电子设计自动化工具进行仿真，再自动综合到

门级电路，最后用 PLD 实现其功能。

综合起来讲，VHDL 语言具有如下优点：

(1)VHDL 语言功能强大，设计方式多样。VHDL 语言具有强大的语言结构,

只需采用简单明确的 VHDL 语言程序就可以描述十分复杂的硬件电路。同时,它还

具有多层次的电路设计描述功能。此外，VHDL 语言能够同时支持同步电路、异

步电路和随机电路的设计实现,这是其他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL 语言

设计方法灵活多样，既支持自顶向下的设计方式，也支持自底向上的设计方法；

既支持模块化设计方法,也支持层次化设计方法。

(2)VHDL 语言具有强大的硬件描述能力。VHDL 语言具有多层次的电路设计描

述功能，既可描述系统级电路，也可以描述门级电路；描述方式既可以采用行为

描述、寄存器传输描述或者结构描述，也可以采用三者的混合描述方式。同时，

VHDL 语言也支持惯性延迟和传输延迟，这样可以准确地建立硬件电路的模型。

VHDL 语言的强大描述能力还体现在它具有丰富的数据类型。VHDL 语言既支持

标准定义的数据类型，也支持用户定义的数据类型，这样便会给硬件描述带来较

大的自由度。

(3)VHDL 语言具有很强的移植能力。VHDL 语言很强的移植能力主要体现在：

对于同一个硬件电路的 VHDL 语言描述，它可以从一个模拟器移植到另一个模拟

器上、从一个综合器移植到另一个综合器上或者从一个工作平台移植到另一个工

作平台上去执行。

(4)VHDL 语言的设计描述与器件无关。采用 VHDL 语言描述硬件电路时, 设

计人员并不需要首先考虑选择进行设计的器件。这样做的好处是可以使设计人员

集中精力进行电路设计的优化，而不需要考虑其他的问题。当硬件电路的设计描

述完成以后,VHDL 语言允许采用多种不同的器件结构来实现。

(5)VHDL 语言程序易于共享和复用。VHDL 语言采用基于库(library)的设计方

法。在设计过程中，设计人员可以建立各种可再次利用的模块，一个大规模的硬

件电路的设计不可能从门级电路开始一步步地进行设计，而是一些模块的累加。

这些模块可以预先设计或者使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放在库中，

就可以在以后的设计中进行复用。

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