【精品博文】基于FPGA的计算器设计一（矩阵键盘模块）

这周做了一个计算器的实验，目前可以正负实现数的加减乘除，以及定点小数的加减乘除，精度不高还在进一步完善，今天先把矩阵键盘扫描的模块总结一下，明天继续优化。

这是一个大概的模块划分和数据流向图，我们首先要通过矩阵键盘扫描来确定按下的键，然后把键值送给输入输出控制模块，来判断输入的是第一个操作数还是操作符，还是第二个操作数以及等号，可以说输入输出控制模块是整个计算器设计最核心的模块了，这个明天再总结，如果判断按下等号，那么计算模块就应该根据操作数和操作符来运算，并把运算的结果送到输入输出控制模块。因为在输入数据的时候，数码管也是要显示数据的，所以把计算的结果传回来一起处理，而且计算的结果也可以作为下一次计算的操作数，实现连续运算。计算模块还包括BCD转二进制以及二进制转BCD模块，另外由于涉及到负数运算，所以计算过程都是补码进行运算，计算结果再由补码转回原码，数码管显示模块和常用的数码管模块不同的地方就是它具有消“0”的功能，输入的时候每输入一位数据显示一位，对于没有输入的位数是不能显示“0”的，输出计算结果的时候也是一样，对于没有数值的位，是不能显示“0”的。

下面先总结以下矩阵键盘模块，使用矩阵键盘的原因就不多说了，就是为了节约IO口。矩阵键盘扫描的原理我简单介绍一下吧：

以4x4的矩阵键盘为例，同一行按键的一段被接到同一根先上，4行分别被接到4根，我们命名row0-row3;列同理，命名col0-col3。同时我们给row端接上上拉电阻，那么没有按键按下的时候row端是高电平，我们把4根row接到FPGA作为输入端，把col接到FPGA作为输出端。我们在初始状态下给col全部赋0输出，如果某一个按键按下，那么就会有一个col和一个row线被联通了，那么被联通的那根row就会给FPGA输入0，此时row是输入，我们可以很容易判断是哪根row被联通了，但是每一根row上连上了4根col，我们还不能知道具体是哪一个col，所以我们这时用到中学物理时学到的控制变量法，我们让col每次只有一根输出低电平（注意原来是4个全是低电平，在检测到有键按下后，变成只有一根输出低电平），依次扫描，知道检测到row端不全为1时，说明此时的row和col就是按下按键的坐标了。

最后例化的消抖模块是上次数字钟的消抖模块，略微做了一点修改，所以将设计模块化还是有很大帮助的。

里面的flag_pos是为了检测按键的边沿，按键按下会有一个flag标志拉高，这里检测的其实是flag的下降沿，也就是按键弹起来的时候，一开始我是检测上升沿的，但是会存在一点时序问题，因为这个flag_pos只有一个时钟周期，我如果检测上升沿输出，在flag拉高的这一刻，key_value其实还没有被赋值好，所以会导致，我按第一个按键的时候没有数据显示，按第二个的时候显示第一个按键的值，但是检测按键弹起的时刻（也就是flag的下降沿）就能有效避免这种情况。

矩阵键盘扫描的原理基本就是这样，但是实现的方法有很多种，我觉得这种方法是比较简单明了，适合新手理解的。当然我自己也还是新手，嘻嘻......加油！