基于FPGA技术的多按键状态识别系统设计

2009-09-17 20:16:45来源: 张开龙 刘军民

  1 引言

  按键作为普通的输入外设,在仪器仪表工业设备和家用电器中得到广泛应用。目前,按键输入电路Ⅲ主要有2种:一种是非扫描方式可以判断多键状态(允许多键同时动作),但是不适用于大量按键情况,所需I/0端口多;另一种是扫描阵列方式,适用于大量按键,但不能多键同时动作。因此,需要开发一种既适合大量按键又适合多键同时动作,并能节省单片机(MCU)的口线资源的多按键状态识别系统。这里提出一种利用FPGA的I/0端口数多和可编程的特点,采用VHDL语言的多按键状态识别系统,实现识别60个按键自由操作,并简化MCU的控制信号。

  2 系统设计方案

  FPGA是一种可编程逻辑器件,它具有良好性能、极高的密度和极大的灵活性,外围电路简单可靠等特性。因此,该系统设计是由MCU、FPGA、按键等部分组成。60路按键信号进入FPGA单元,以供数据采集;FPGA处理采集到的数据信号,编码后写入内部FIFO。MCU通过I/O端口提取FIFO中的数据。模块通过电源接口向各个部分供电。其系统设计原理框图如图l所示。

  2.1 FPGA配置电路

  FPGA采用Altera公司EPF10K30ATC144,该器件内核采用3.3 V供电,端口电压为3.3V可承受5 V输入高电平,其工作频率高达100 MHz;有102个可用I/0端口,每个端口输入电流最高达25 mA,输出电流达25 mA;l728个逻辑单元(Les),12 288 bit的用户Flash存储器,可满足用户小容量信息存储,完全满足系统设计要求。

  由于FPGA基于RAM工艺技术,该器件丁作前需要从外部加载配置数据,需要一个外置存储器保存信息,采用可编程的串行配置器件EPC2.其供电电压为3.3 V。OE和nCS引脚具有内部用户可配置上拉电阻。FPGA的DCLK、DATA0、nCONFIG引脚信号均来自EPC2。系统上电后,首先FPGA初始化,nSTATUS、CONF_DONE置为低电平。nSTATUS置为低电平后复位,此时EPC2的nCE为低电平,因此选取EPC2,从而数据流从DATA引脚输入到FPGA的DATAO引脚。配置完成后,FPGA将CONF_DONE置为高电平,而EPC2将DATA引脚置为高阻态。其FPGA配置电路如图2所示。

  2.2 按键电路

  图3为一路按键电路,共60个按键(i=1~60)。由于外界环境复杂,按键引线长达6 m,保护二极管VDi:在外界干扰信号大于VCC时导通起到保护FPGA的作用。电阻Ri上拉限流,按键未闭合状态下FPGA输入引脚始终处于高电平。

  3 FPGA内部逻辑设计

      FPGA内部功能分为扫描模块、编码模块、控制模块以及同步FIFO RAM模块,如图4所示。

  图4中,K1~K60为60个按键的输入端,Scan为工作模式选择信号,Ready为读准备好信号,RdClk为读时钟信号,Data[7:0]为数据输出,ModCtr为编码模式控制信号,FIFOWEn为FIFO RAM写使能信号,FIFOIn为FIFO RAM数据输入,State为按键状态扫描信号。其工作原理为:扫描模块周期扫描按键状态,其结果送入编码模块;编码模块根据模式控制信号ModCtr选择编码方式编码,将其结果送入FIFO RAM;控制模块产生对FIFO RAM的读取控制信号;MCU可通过Readv、RdClk控制信号读取Data[7:0]数据线上的按键编号和状态数据。

  3.1 扫描模块

  扫描模块主要完成扫描按键状态输入和按键的软件去抖动。扫描按键状态输入是以5 m8为周期扫描60个输入引脚,将其结果存入60个两位状态移位寄存器。其代码为:

  按键去抖有硬件和软件2种实现方式。为了节省成本,充分发挥FPGA器件的功能,该系统设计采用软件去抖。图5为软件去抖动流程。图中State为2位状态移位寄存器,初始值为0,TimeDelay为延时计数器。

[1] [2]

关键字:FPGA  识别系统  仪器仪表  工业

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2009/0917/article_719.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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