本次設計采用FPGA驅動4x4矩陣鍵盤，這個原理其實很簡單，但是我在做的時候曾經理解錯了一個地方，導致走了一天的彎路，因為感覺比較有意思，所以想在這分享一下。

014x4矩陣鍵盤驅動原理

首先看一下矩陣鍵盤的原理圖，矩陣鍵盤的原理與獨立按鍵類似，可以將單獨的一行或一列當做一個獨立按鍵使用。圖中的row_one ~ row_four表示矩陣鍵盤的四行，col_one~col_four表示矩陣鍵盤的四列。

矩陣鍵盤的掃描識別可以通過行列掃描來完成，首先我們先將4行的I/O口（row_one、row_two、row_three、row_four）全部輸出高電平，4列的I/O口（col_one、col_two、col_three、col_four）全部輸出低電平，若是這4行按鍵里有按鍵按下，那么按鍵按下的那一行對應的I/O口電平就會被拉低，這樣我們就能確定按下按鍵的行坐標。接下來便需要確定列坐標，獲取列坐標的方法與行坐標的方法類似，就是先讓4行的I/O口全部輸出低電平，4列的I/O口全部輸出高電平，這樣按鍵按下的那一列I/O口的電平就會被拉低，這樣我們便確定了對應的列坐標，如此便能獲取到對應按下按鍵的行列坐標。

02設計思路

這里需要討論的便是如何實現4×4矩陣鍵盤的程序，其邏輯流程圖如下圖所示。首先需要定義8個輸出端口，分別表示四行四列，然后先讓四行的I/O輸出高電平，四列的I/O輸出低電平，這是初始狀態。然后便是編寫消抖程序，當有按鍵按下時，首先便是進行消抖，利用狀態機編寫消抖程序，識別判斷當前狀態是否為抖動。確定為按鍵按下后便開始判斷4行中哪一行的電平被拉低，這樣便能確定是哪一行的按鍵被按下，這里需要定義一個表示行的標志位，用來標志是哪一行按鍵按下。隨后便將四行的I/O輸出低電平，四列的I/O輸出高電平，然后便開始逐列判斷哪一列的電平被拉低，如此便能判斷按下按鍵的列坐標。此處也需要定義一個表示列的標志位。最后便是綜合判斷，通過行的標志位和列的標志位來判斷按下按鍵的行列坐標，如此便確定具體按下的按鍵。

接下來看程序（此處分享的程序為沒有帶按鍵消抖的，只是按照矩陣鍵盤的掃描識別思路大致寫了一下），首先是端口的定義，定義四行四列，但是有一點，原理上講解的是輸出電平，在這里這四個端口先定義為輸入狀態，因為這不是頂層文件，在頂層文件中再定義為輸出。然后定義的key_lock為輸出控制端，我這里是利用矩陣鍵盤設置的密碼鎖，每一個矩陣按鍵對應一個鍵值，當按下四個按鍵對應密碼正確時，key_lock輸出高電平。key_row_flag為行標志位，當檢測到第一行的按鍵被按下時標志位置1，當第一行的按鍵被按下時標志位置2，同理，第三行置3第四行便置4。key_col_flag為列標志位，原理與行標志位一樣。然后row_flag與col_flag為行掃描標志位與列掃描標志位，當row_flag為1時進行行掃描，當col_flag為1時進行列掃描。key_output為輸出按下對應按鍵的鍵值。key_row_col為當前掃描狀態，為1時表示行掃描結束，為2時表示列掃描結束，標志列掃描結束后便開始獲取按鍵的鍵值。

接下來便開始看行掃描，行掃描和列掃描初始狀態為row_flag為1、col_flag為0。然后開始捕捉四行的引腳哪一行的引腳出現下降沿置0，若有一行的引腳被拉低置0時，行標志位立刻記下是第幾行被拉低，然后行列狀態標志位便置1，行掃描標志位row_flag清零，列掃描標志位置1，開始進入列掃描。

然后就是列掃描，在列掃描中與行掃描原理一樣，檢測每一列引腳的電平，若其中一列的電平被拉低，則列標志位立刻記錄被拉低的列數為第幾列，然后恢復行掃描標志位準備進入下一輪掃描，同時將列掃描標志位清零，行列狀態標志位置2，準備進入判斷按下按鍵鍵值模式。

接下來便是開始判斷按下按鍵的鍵值，因為我這里只需要0~9這十個數字，而矩陣鍵盤有16個按鍵，所以寫的稍微簡單一點。從第一行第一列開始為1，第一行第二列為2，后面的依次類推。將第四列和第四行的鍵值全部設置的為0。這里進入判斷鍵值的條件為行列標志位key_row_col置2，也就是必須在列掃描完成之后才能進入判斷。

這里在鍵值判斷完成之后便是將當前獲取的鍵值存儲起來。這里因為行列標志位key_row_col比按鍵輸出鍵值key_output差了一個時鐘周期，所以賦值錯誤，然后我便重新定義了一個寄存器key_row_col_r用來過渡一下。下面定義的one起初是為了在key_row_col為2時不重復賦值才寫的，是為了避免賦值后面輸出的按鍵鍵值，也就是20ns的周期中只進去賦值一次，但是后面發現了時序相差一個時鐘周期便在else中加入了那段，還未解決便定義了寄存器key_row_col_r，這才得以解決。

最后便是設置密碼，輸出控制部分。此處將密碼設置為2653。

接下來便是波形仿真部分，在這里寫入2653每一個鍵值對應按鍵的行列坐標便可。仿真腳本文件寫好之后便可導入仿真。

03仿真波形

在仿真波形圖中根據寫入的對應鍵值來觀察行、列標志位中的行列坐標是否正確，然后根據行列坐標來觀察按鍵輸出鍵值key_output是否一致，key_temp系列的值為存儲的四位密碼，當每一位與設置的密碼一致時，key_lock輸出高電平。