THGSC-3型 大规模EDA/SOPC综合实验开发系统
实验十 矩阵键盘显示电路的设计
一、实验目的
1． 了解普通4×4 键盘扫描的原理。 2． 进一步加深七段码管显示过程的理解。 3． 了解对输入/输出端口的定义方法。 二、实验设备
1． PC机 一台； 2． Altera Blaster下载器 一根； 3． THGSC-3型实验箱 一台。 三、实验原理
实现键盘有两种方案：一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描；再就是用软件实现键盘扫描。作为一个嵌入系统设计人员，总是会关心产品成本。目前有很多芯片可以用来实现键盘扫描，但是键盘扫描的软件实现方法有助于缩减一个系统的重复开发成本，且只需要很少的CPU 开销。嵌入式控制器的功能能强，可能充分利用这一资源，这里就介绍一下软键盘的实现方案。
图10-1 简单键盘电路
通常在一个键盘中使用了一个瞬时接触开关，并且用如图10-1 所示的简单电路，微处理器可以容易地检测到闭合。当开关打开时，通过处理器的I/O 口的一个上拉电阻提供逻辑1；当开关闭合时，处理器的/IO 口的输入将被拉低得到逻辑0。可遗憾的是，开关并不完善，因为当它们被按下或者被释放时，并不能够产生一个明确的1 或者0。尽管触点可能看起来稳定而且很快地闭合，但与微处理器快速的运行速度相比，这种动作是比较慢的。当触点闭合时，其弹起就像一个球。弹起效果将产生如图10-2 所示的好几个脉冲。弹起的持续时间通常将维持在5ms～30ms 之间。如果需要多个键，则可以将每个开关连接到微处理器上它自己的输入端口。然而，当开关的数目增加时，这种方法将很快使用完所有的输入端口。键盘上阵列这些开关最有效的方法（当需要5 个以上的键时）就形成了一个如图10-3 所示的二维矩阵。当行和列的数目一样多时，也就是方型的矩阵，将产生一个最优化的布列方式（I/O 端被连接的时候）。一个瞬时接触开关（按钮）放置在每一行与每一列的交叉点。矩阵所需的键的数目显然根据应用程序而不同。每一行由一个输出端口的一位驱动，而每一列由一个电阻器上拉且供给输入端口一位。
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图10-2 按键抖动
图10-3 矩阵键盘
键盘扫描的实现过程如下：对于4×4 键盘，通常连接为4 行、4 列，因此要识别按键，只需要知道是哪一行和哪一列即可，为了完成这一识别过程，我们的思想是，首先固定输出4 行为高电平，然后输出4 列为低电平，再读入输出的4 行的值，通常高电平会被低电平拉低，如果读入的4 行均为高电平，那么肯定没有按键按下，否则，如果读入的4 行有一位为低电平，那么对应的该行肯定有一个按键按下，这样便可以获取到按键的行值。同理，获取列值也是如此，先输出4 列为高电平，然后再输出4 行为低电平，再读入列值，如果其中有哪一位为低电平，那么肯定对应的那一列有按键按下。获取到行值和列值以后，组合成一个8 位的数据，根据实现不同的编码在对每个按键进行匹配，找到键值后在7 段码管显示。 四、实验内容
本实验要求完成的任务是通过编程实现对4X4 矩阵键盘按下键的键值的读取，并在数码管上完成一定功能（如移动等）的显示。实验中数码管与FPGA 的连接电路和管脚连接在《用户手册》做了详细说明。 五、实验步骤
1． 打开QUARTUSII 软件，新建一个工程。
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2． 建完工程之后，再新建一个VHDL File，打开VHDL 编辑器对话框。 3． 按照实验原理和自己的想法，在VHDL 编辑窗口编写VHDL 程序。 4． 编写完VHDL 程序后，保存起来。方法同实验一。
5． 对编写的VHDL 程序进行编译并仿真，对程序的错误进行修改。
6． 编译仿真无误后，依照《用户手册》进行管脚分配。分配完成后，再进行全编译一次，以使管脚分配生效。
7． 用下载电缆通过JTAG 口将对应的sof 文件加载到FPGA 中。
8． 将数字信号源模块的时钟选择为1kHz，按下矩阵键盘的某一个键，观察数码管上显示的数值，再按下第二个键观察数码管的变化。观察实验结果是否与自己的编程思想一致。
9． 实验完毕，关闭电源，整理实验器材。
六、实验结果
矩阵键盘有按键按下时，数码管第8位显示相应键值，并且数码管上显示的数值依次左移。 七、实验报告
1． 绘出不同的键值时的数码管的仿真波形，并作说明。 2． 根据自己的思路，找一找还有没有其它方法进行键盘的扫描显示，并画出流程图。 3． 将实验原理、设计过程、编译仿真波形和分析结果、硬件测试结果记录下来。
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实验十一 用VHDL 设计七人表决器
一、实验目的
1． 熟悉VHDL 的编程。 2． 熟悉七人表决器的工作原理。 3． 进一步了解实验系统的硬件结构。 二、实验设备
1． PC机 一台； 2． Altera Blaster下载器 一根； 3． THGSC-3型实验箱 一台。 三、实验原理
所谓表决器就是对于一个行为，由多个人投票，如果同意的票数过半，就认为此行为可行；否则如果否决的票数过半，则认为此行为无效。七人表决器顾名思义就是由七个人来投票，当同意的票数大于或者等于4 时，则认为同意；反之，当否决的票数大于或者等于4 时，则认为不同意。实验中用7个拨动开关来表示七个人，当对应的拨动开关输入为‘1’时，表示此人同意；否则若拨动开关输入为‘0’，则表示此人反对。表决的结果用一个LED 表示，若表决的结果为同意，则LED 被点亮；否则，如果表决的结果为反对，则LED 不会被点亮。同时，数码管上显示通过的票数。 四、实验内容
本实验就是利用实验系统中的拨动开关模块和LED 模块以及数码管模块来实现一个简单的七人表决器的功能。拨动开关模块中的SW1～SW7 表示七个人，当拨动开关输入为‘1’时，表示对应的人投同意票，否则当拨动开关输入为‘0’时，表示对应的人投反对票；LED 模块中D1 表示七人表决的结果，当D1点亮时，表示此行为通过表决；否则当D1 熄灭时，表示此行为未通过表决。同时通过的票数在数码管上显示出来。在此实验中数码管、LED、拨动开关与FPGA 的连接电路和管脚连接在《用户手册》中都做了详细说明。 五、实验步骤 1． 打开QUARTUSII 软件，新建一个工程。
2． 建完工程之后，再新建一个VHDL File，打开VHDL 编辑器对话框。 3． 按照实验原理和自己的想法，在VHDL 编辑窗口编写VHDL 程序。 4． 编写完VHDL 程序后，保存起来。方法同实验一。
5． 对自己编写的VHDL 程序进行编译并仿真，对程序的错误进行修改。
6． 编译仿真无误后，依照《用户手册》进行管脚分配。分配完成后，再进行全编译一次，以使管脚分配生效。
7． 用下载电缆通过JTAG 口将对应的sof 文件加载到FPGA 中。
8． 拨动实验系统中拨动开关模块的SW1-SW7七位拨动开关，观察发光管模块的D1的亮灭规律并记录。同时观察数码管的显示并记录。观察实验结果是否与自己的编程思想一致。
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9． 实验完毕，关闭电源，整理实验器材。
六、实验结果
当设计文件加载到目标器件后，拨动实验系统中SW1~SW7，七位拨码开关，如果拨码开关的值为“1”（即拨码开关的开关置于上端，表示此人通过表决）的个数大于或等于4时LED 模块的D1被点亮，否则D1不被点亮。同时数码管上显示通过表决的人数。
七、实验报告
1． 绘出仿真波形，并作说明；
2． 将实验原理、设计过程、编译仿真波形和分析结果、硬件测试结果记录下来； 3． 在此实验的基础上增加一个表决的时间，只有在这一时间内的表决结果才有效； 4． 实验心得和意见。
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