代码下载
键盘Pmod控制器（顶层文件）：pmod_keypad.vhd (11.7 KB)
消抖逻辑（必须包含在项目中）：debounce.vhd (3.1 KB)
特性
- 针对Digilent键盘Pmod（PmodKYPD）的简化接口VHDL源代码
- 通过并行接口输出被按下的按键
- 支持最多2个按键同时按下
- 消除键盘设计固有的误触和漏检
- 对按键进行消抖处理（可配置消抖时间）
简介
本文详述了用于连接Digilent键盘Pmod的VHDL组件，如图1所示。图2展示了该键盘Pmod控制器集成到系统中的典型实例。如图所示，键盘Pmod控制器通过FPGA的IO端口直接连接键盘Pmod。它循环激励键盘列线并读取行线来检测按键，随后通过16位并行接口输出结果。该组件使用Quartus Prime 17.0.0 Lite Edition设计。
图 1. Digilent键盘Pmod
图 2. 应用示例
工作原理
键盘Pmod采用行列矩阵电路以减少所需IO数量。图3展示了Pmod相关电路原理图（但Digilent错误标注了第4行开关名称）。
图 3. 键盘Pmod电路
检测单键按下
当无按键按下时，行输出通过10kΩ电阻被上拉至逻辑高电平。单个按键按下时，会在行的10kΩ电阻与连接的列的470Ω电阻之间形成分压电路。若FPGA将列拉低，则行输出电压会降至逻辑低阈值以下，被FPGA读取为’0’。通过逐列拉低并读取行值，可可靠检测单键按下，从而确定该行哪个按键被按下。
当仅有一个按键按下时，该方法能可靠检测特定按键。
但若同时按下多个按键，仍需采取额外措施来消除可能出现的误报和漏检。
检测双键同时按下
上述单键检测方法也能检测多数双键按下情况，但并非全部。当仅有两个按键按下且不在同一行时，该方法可可靠检测双键按下。
假设同一行的两个按键被同时按下。由于FPGA将其中一列保持高电平，该列的470Ω电阻会与行的10kΩ电阻并联。这会改变分压电路，使行输出电压不低于逻辑低阈值，导致FPGA误判为无按键按下（对两个按键都产生漏检）。
Keypad Pmod控制器可修正此双键按下问题。它会同时拉低这两列，检查同一行是否有两个按键被同时按下。图4展示了该电路结构。若两键均被按下，行输出将降至逻辑低电压阈值以下。需注意，若其中任一键单独按下，行输出也会变低。因此，仅当单键检测法未独立检测到任一按键时，Keypad Pmod控制器才会判定为双键按下。
图 4 。 单行双列拉低情况
消除漏检与误报
三个及以上按键同时按下会使上述方法失效。问题源于此时多个电阻通常处于并联状态。这种并联组合会大幅改变分压电路特性，导致多数情况出现漏检或误报。
在遍历所有列并对每行进行单键与双键按压场景轮询后，Keypad Pmod控制器会统计该轮询周期内检测到的按键次数，随后输出结果。若检测到超过两个按键被按下，所有结果均视为可疑且不可靠，因此不会接受或输出任何结果。
通过这种方式，所有输出值均为明确可靠的按键动作。若同时按下超过两个按键，系统将全部视为操作错误予以忽略，因为此时无法可靠判定具体哪些按键被按下。
检测时间
Keypad Pmod控制器还会计算每次轮询检查所需的输入时钟周期数。当某列被拉低时，被按下按键所在行需要经过显著的时间常数，其输入才会达到逻辑低电平阈值。为满足此要求，控制器会在读取数值前等待300纳秒。
控制器通过GENERIC参数clk_freq 实现此功能，该参数必须设置为系统时钟输入clk 的频率。
消抖处理
完成轮询周期并统计检测到的按键次数以验证有效性后，控制器会在输出前对结果进行消抖处理。GENERIC参数stable_time 指定按键值必须保持稳定的毫秒数，才能被计为单次按压。
此处描述的消抖组件即实现此功能。
控制器配置
通过设置ENTITY中的GENERIC参数来配置Keypad Pmod控制器。表1描述了相关参数。
表 1. 通用参数说明
端口描述
表2描述了Keypad Pmod控制器的端口。
表 2. 端口描述
连接方式
该Pmod配备一个12针连接器。表3提供引脚定义。需将Keypad Pmod控制器的端口分配至FPGA引脚，这些引脚已按所列对应关系连接至各接口。
表 3. Keypad Pmod引脚定义与Keypad Pmod控制器的连接
复位
Keypad Pmod控制器组件工作时，reset_n 输入端口必须保持逻辑高电平。该端口低电平将异步复位组件。复位期间，组件会将列输出置为高电平，清除按键 输出并清空所有相关内部寄存器。复位释放后，Keypad Pmod控制器将恢复运行。
结论
该Keypad Pmod控制器是可编程逻辑组件，用于连接Digilent的Keypad Pmod模块。它能处理所有必要流程，可靠检测并消除最多2个同时按键的抖动，通过并行接口输出结果。当检测到超过2个按键同时按下时，控制器会输出全零信号，表明无法确定可靠按键状态，从而消除键盘设计固有的误触和漏检问题。