基于fpga的鍵盤接口設計正文(已修改)

　

【正文】 湖南科技大學學士學位畢業論文基于FPGA的鍵盤接口設計專業：電子信息科學與技術系 作者：李先仙 指導老師：劉強摘要：現場可編程邏輯門陣列FPGA （Field Programmalbe Gate Array）具有掩膜可編程門陣列的通用結構，由邏輯功能塊排成陣列組成，并由可編程的互聯資源連接這些邏輯功能塊以及相應的輸入/輸出單元來實現不同的設計。在電子產品中，鍵盤是最基本的輸入設備，然而在應用中都采用通用的鍵盤掃描器件是不現實的，需要單獨設計成專用的小鍵盤。隨著電子技術和EDA （Electronic Design Automatic，電子設計自動化）技術的發展，大規模可編程邏輯器件PLD（Programmable Logic Device）、現場可編程門陣列FPGA完全可以取代大規模集成電路芯片，實現計算機可編程接口的功能，并可將若干接口電路的功能集成到一片PLD或FPGA芯片中。鑒于大規模PLD或FPGA的計算機接口電路不僅具有集成度高、體積小和功耗低等優點，而且還具有獨特的用戶可編程能力，從而實現計算機系統的功能重構。本文設計首先介紹行列式鍵盤的原理和應用，通過對其接口電路的詳細分析；然后利用VHDL硬件描述語言和FPGA器件并采用模塊化設計的方法完成了基于FPGA的行列式鍵盤接口電路的設計；最后通過計算機仿真，對本文設計的行列式鍵盤接口電路的正確性進行了驗證。關鍵詞：鍵盤；仿真；VHDL語言；FPGA；模塊化設計Based on FPGA Keyboard Connection DesignMajor:Electronic Information Science and Technology Author: Li Xianxian Instructor: Liu QiangAbstract: The Filed Programmmalbe Gate Array,shorted by FPGA,which has a maskprogrammable gate array of generic structure and function blocks in the logic array of line,through a programmable logic of internet resources connecting these function blocks and the corresponding input/output modules to achieve different electronic products,the keyboard is the most basic input device,however,it’s unrealistic of using general keyboard scanning device in the application ,we need for the separate designing of the small keyboard. With the development of Electronic and EDA(Electronic Design Automatic)technology,Large Scale Integration chips can be replaced by PLD(Programmable Logic Device)and FPGA ,which can realize the function of the Programmable Interface chips and feature a number of interface circuits integated into one of the PLD or FPGA puter interface circuit based on the technology of PLD and FPGA not only has the virtue of high integration,low volume and low power loss, but also has the unique programmable function,which can realize reconstruction of the function of puter designing of this article first introduced the determinant keyboard’s theory and application,through to analysis its connection electric circuit in very great detail ,and then used VHDL hardware description language and FPGA device to plete FPGAbased determinant keyboard connection electric circuit design with modular design ,through the method of simulations to verify the accuracy of the determinant keyboard connection electric circuit of the design.Key words: Keyboard。 Simulalion。 VHDL lauguage。 FPGA。 Modular design前言鍵盤歷史非常悠久，早在1714年，就開始相繼有英、美、法、意、瑞士等國家的人發明了各種形式的打字機，最早的鍵盤就是那個時候用在那些技術還不成熟的打字機上的；到了20世紀中期，鍵盤又多了一個用武之地——作為電腦的基本輸入設備，用戶通過它向計算機傳遞信息，它有機械式、電容式、電感式和薄膜式等多種形式，按獲取按編碼的方式，可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤；根據鍵盤插口方式分為AT接口鍵盤和PS/2接口鍵盤和USB接口鍵盤，其中AT接口鍵盤目前已基本被淘汰[1]。然而在應用中都采用通用的鍵盤掃描器件是不現實的，由可編程邏輯器件組成的數字電路系統中經常需要有輸入/輸出設備，以用來與用戶更好地進行交互。現代EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）技術提供了一種很好的途徑,利用VHDL硬件描述語言和FPGA器件可以很方便地構建鍵盤接口電路[2]。本文采用VHDL語言設計的基于FPGA的行列式鍵盤接口設計，行列式鍵盤是常用的輸入/輸出設備之一，它結構簡單，攜帶方便，功耗低，能夠適用于各種功率要求的場合，功能強大，能有效的提高利用I/O口的利用率。行列式鍵盤電路的FPGA實現主要解決三個問題，一是如何檢測是否有按鍵按下并防止采集到干擾信號，二是在按鍵閉合時如何防止抖動，三是如何判斷為哪一個按鍵位動作，并對其進行譯碼。因此，要解決這些問題，把行列式鍵盤接口電路分為鍵盤掃描電路、鍵盤譯碼電路、按鍵標志產生電路、時鐘模塊以及鍵盤頂層電路等四個模塊來實現。首先利用VHDL硬件描述語言在FPGA芯片上實現鍵盤接口并利用仿真FPGA軟件進行仿真；之后便可利用FPGA實驗箱搭建相應的硬件電路，在硬件上實現鍵盤接口的一些基本功能。在Altera、Atmel等公司都推出了內嵌微處理器的FPGA，但由于價格、開發手段和方法等因素的影響，在未來一段較長的時間里，還是會更多的采用單片機與FPGA配合的方式設計系統，以發揮單片機的靈活性和FPGA的高速性[3]。1 VHDL和FPGA概述 VHDL概述 VHDL的由來和特點VHDL是Very high speed integrated circuit Hardware Deseription Language的縮寫，意思是非常高速集成電路的硬件描述語言，是HDL（Hardware Deseription Language，硬件描述語言）的一種。這是一項由美國國防部所支持的研究計劃，目的是為了把電子電路的設計意義以文字或文件的方式保存下來，以便他人能輕易地了解電路的設計意義。由于VHDL電路描述語言所能涵蓋的范圍很廣，從ASIC（Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路）的設計到PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）系統的設計，VHDL電路描述語言都能派上用場，所以VHDL語言毫無疑問地成為硬件設計工程師的必備工具[4]。VHDL主要用于描述數字系統的結構、行為、功能和接口。除了含有許多方面具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式和描述風格與句法十分類似于一般的計算機高級語言。VHDL的程序結構特點是將一項工程設計或稱設計實體（可以是一個元件、一個電路模塊或一個系統）分成外部（即端口）和內部（即設計實體的內部功能和算法完成部分）。在對一個設計實體定義了外部界面后，一旦其內部開發完成后，其它的設計就可以直接調用這個實體[5]。這種將設計實體分成內、外兩部分的概念是VHDL系統設計的基本點。具體特點如下：1) 與其它的硬件描述語言相比，VHDL具有更強的行為描述能力，從而決定了它成為系統設計領域最佳的硬件描述語言。強大的行為描述能力是避開具體的器件結構，從邏輯行為上描述和設計大規模集成電路的重要保證。2) VHDL豐富的仿真語言和庫函數，使得在大規模集成電路設計的早期就能查驗出設計系統的功能可行性，可隨時對設計進行功能仿真、時序仿真，使設計者在設計初期就可以對整個工程設計的可行性作出決策，從而縮短了設計周期，減少了研發成本。3) VHDL語句的行為描述能力和程序結構決定了它具有支持大規模集成電路設計的分解和對已有設計的再利用功能[4]。重復利用他人的IP （In