好久不見，因為博主最近兩個月有點事情，加上接著考試，考完試也有點事情要處理，最近才稍微閒了一些，這才趕緊記錄分享一篇博文。FPGA驅動4x4矩陣鍵盤。這個其實原理是十分簡單，但是由於博主做的時候遇到了一些有意思的情況，所以我個人覺得值得記錄分享一下。
首先找了本書看了下矩陣鍵盤的驅動原理，一般來說4x4矩陣鍵盤的原理圖如下，有四根行線和四根列線，行選通和列選通可以確定鍵盤上的一個位置。從原理圖上看出，在沒有操作的情況下，行線上接了一個10K的上拉電阻接vcc，這使得鍵盤在沒有按下時，四根行線始終是高電平。
列線是由處理器輸入給矩陣鍵盤，空閒狀態下保持為0。也就是行空閒時輸出給處理器為四個1，列空閒時由處理器輸入給四個0。
當按下按鍵時，比如第一行第一個按鍵，對應的那一行導通輸出為0，即row_data = 0111，此時由處理器逐漸輸入列掃描信號由col_data = 0111——1110，當所按下按鍵為對應的那一行列的按鍵，矩陣鍵盤的行才會導通輸出為0，否則會回到1111。其他按鍵類似，就是利用這個原理來驅動矩陣鍵盤。
最後FPGA部分模塊引腳設計如圖，我們需要對按鍵進行消抖，和普通按鍵一樣，採用20ms的延時對按鍵進行消抖，分為按下消抖和鬆開消抖，中間的狀態轉移，因為列信號需要輸出判斷行信號的變化，所以狀態機狀態轉移用兩個系統時鐘周期跳轉。採用狀態機進行描述，狀態轉移圖如下。
代碼如下：（點擊閱讀原文查看博客）
代碼部分其實沒啥好說的，有意思的是博主連接硬體做調試的時候，博主的矩陣鍵盤模塊如圖，薄膜鍵盤。某寶客服連原理圖都沒有，有一家給的我原理圖還是錯的。問題在於代碼第一次下載到板子上的時候，沒有出結果，不知道是代碼問題還是硬體電路連接問題，我也是試了好久才猜出來正確的連接順序。
這是，某寶客服給的錯的原理圖，先拿這個看一下，和這個矩陣鍵盤的構造差不多，從圖中可以看到這個圖和文章開頭的原理圖中少了點什麼，上拉電阻。這裡比較迷惑的是，如果沒有上拉電阻，在空閒狀態下，row_data怎麼能保持輸出高電平呢。問了幾個客服，有說不懂的有說不用加上拉電阻的。
我直接上板調試，在鍵盤的基礎上加了個數碼管顯示按下的數值。按下時發現是可以顯示正確的數字的，但是奇怪的是過一會兒數碼管顯示會清零。最開始以為是代碼的問題，檢查後從仿真和邏輯看，按鍵後解碼的數值其實是一直保持不變的，沒有操作是不會發生變化的，但實際情況不太符合。
這樣奇怪的情況發生，這個時候我們要相信科學。這種仿真發現不了問題，但實際運行卻又bug，這個沒法猜出來。在線邏輯分析儀就可以看到你的代碼在開發板上運行的情況，這裡引出Xilinx的Chipscope，用在線邏輯分析儀幾乎可以抓到你的代碼內部的所有信號，這個時候抓到的是你的電路實際運行的情況，配置流程如下。
新建New source界面，選擇如圖Chipscope，next。
然後會自動生成一個後綴為.cdc的文件，雙擊打開。
這一步點擊next
同樣next
這裡選擇，觸發信號的數量和位寬，我這裡選擇了三個觸發信號，兩個位寬為4，對應矩陣鍵盤的行和列，一個位寬為1，為復位信號。最後邊的滾輪下拉可以看到全部信號。
這裡設置抓取的信號深度，選擇上升沿採樣信號。完成後點擊next
這裡選擇時鐘信號clk
選擇後點擊make connection，OK。
同樣的選擇其他觸發信號，加入行和列和復位信號。
添加完成OK
點擊完成退出。
保存
這裡點擊這裡就會啟動Chipscope了，這個時候板子就可以上電了。
點擊連結板子
照圖點擊下載板子。
配置相關文件
然後會彈出這個窗口，這裡可以設置觸發類型和觸發方式，添加的信號都會顯示出來
設置觸發方式為M2，即復位信號。
點擊上面的按鈕開始運行，復位鍵釋放，就可以抓取到一部分信號了。
按下一個按鍵會看到對應的行列變換。
這是Chipscope的調用流程，通過在線邏輯分析儀，博主發現了問題，在空閒無操作時，觸發復位抓取信號，抓到的row_data有時候是1111。有時候是0000或其他，但是理論上矩陣鍵盤在無操作下應該一直row_data輸出1111。就是這個奇怪的問題導致的錯誤。我們要相信科學。應該是硬體電路的問題，檢查了與開發板連接的杜邦線沒問題後，應該就是矩陣鍵盤自己的問題，上拉電阻這塊的原理，我所使用的矩陣鍵盤沒有上拉電阻，但是實際上這樣的驅動，如果row_data線上沒有上拉電阻，它很難保持為高電平，而這個地方加不加其實和驅動開發板的構造有關，據我了解，有些單片機的I/O引腳會內置上拉電阻，默認情況下是高電平，所以用這些單片機驅動是不需要加上拉電阻的。
我這裡使用FPGA驅動，FPGA的引腳特性來說，還是需要加的，使矩陣鍵盤的信號輸出穩定，對於Xilinx FPGA來說有意思的是，通過綜合工具添加引腳約束可以啟動同樣的效果，比如在ucf文件的引腳電平約束中加上pullup就可以了。
由於我使用的Spartan-3E系列的開發板，從它手冊上可以得到。在引腳約束在電平為3.3v時加上pull up，可以等下出相當於10.8k歐姆的電阻這和矩陣鍵盤的驅動原理是完全相符。
這篇博文主要分享的是硬體的一個調試過程，Chipscope還是很好用的。對於硬體來說，你沒辦法確定他的狀態，所以使用工具抓取他的實際信號，幫助我們更好調試。