扫描键盘的设计思想和代码技巧非常值得学习。

首先扫描键盘可以节省FPGA 的引脚资源，例如一个4x4的扫描键盘有16个按键，如果不用扫描方式而是直接把16跟控制线接入FPGA ，就要16个引脚，而用扫描方式只需要4+4=8个引脚。

尤其是随着键盘的增大，比如8x9=72的键盘，用扫描方式只需要17个引脚。

要想了解扫描键盘的原理，首先要知道矩阵键盘的电路结构。

如上图所示，矩阵键盘的某一个按钮按下会使对应的一条行线和列线导通，为了便于分析扫描过程做如下简化：
3.3v Row0
Row1 Row2
Row3 Col 0 Col 1 Col 2 Col 3
Row0
Row1
Row2
Row3
Col 0 Col 1 Col 2 Col 3
3 5 A E D C 2 B 9 8 F
4 6 0 1 7 接高电平 由FPGA 输出给键盘高低电平的组合，即是扫描码
键盘行线
高低电平的变化输入给FPGA
扫描键盘的工作状态分为两种：
第一种状态是判断是否有键按下，该状态下四根列线对应的电平状态是{col 0,col 1,col 2,col 3}=0000 。

四根行线左端都接高电平，没有键被按下时，四根行线右端的状态是{row0,row1,row2,row3}=1111 。

假如上图中按键3被按下了，也就是说row0和col 0接通了。

那么四根行线右端的状态将会是{row0,row1,row2,row3}=0111 。

也就是说，在第一种状态下，只要键盘行线输入FPGA的状态不是1111，就说明有键被按下了。

马上进入第二状态。

第二种状态是判断具体哪个键被按下了。

该状态下四根行线左端接高电平不变，四根列线对应的电平状态不断变化，由FPGA的输出的扫描码控制四根列线的电平状态。

由第一状态的行线输入已经可以确定按键所处的行了。

接下来只要再确定按键所处的列就可以确定到底哪个键被按下了。

如何根据行线的输入确定按键所处的列，奥妙就在于扫描码了。

让列线以1000、0100、0010、0001的电平状态不断循环。

假设上一状态确定按键处于row0行，那么随着扫描的进行，行线输入的变化规律如下表：
1000 0100 0010 0001 1000 0100 0010 0001 1000 0100 0010 0001 扫描
码
Row0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0
Row1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Row2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Row3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
观察上表可以发现，在row0是1的时候与之对应的扫描码可以体现出按键所在列。

一个随之而来的设计思路是在第一状态确定按键所在行，然后在第二状态捕捉特定行是高电平的时候所对应的扫描码。

但是这里有一个不可避免的实际问题，那就是机械键盘的抖动！这种抖动主要体现在两个方面：第一，我们手指按某个键的时候可能由于接触面积大无意中碰到周围的键。

第二，在按着一个键的时候由于力度不均或者接触不良，行线和列线并不能时刻保持接通的状态。

下图来自网络上，描述的是单片机的机械键盘，借用一下。

如何避免抖动的影响才是矩阵键盘设计的难点。

由于抖动的存在，我们在第一状态下只能确定有键按下了，并不确定是哪一行的键被按下了。

所以第一状态的任务是判断是否有键按下，如果有就进入第二状态，如果没有，就从第二状态回到第一状态。

第二状态开始输出扫描码给键盘的列，同时从键盘的行收集行线的电平状态作为输入。

然后根据行线输入和扫描码判断按键位置。

还要有一个消抖模块，消除抖动影响的原理就是抖动时间都很短，例如在0.5秒内循环扫描了200次，其中150次扫描结果都显示按键6被按下了，32次显示按键5被按下了，18次显示按键2被按下了。

那么就可以确定按键是6，并且按键的人力度偏向于右上方。

如果抖动时间是10ms 的话，我们设定扫描结果中某个按键连续出现了16ms 以上的时间，则该按键有效，小于16ms 的按键都视为抖动被“过滤”掉。

在总体架构的设计中，根据行线输入和扫描码判断按键位置的功能可以独立作为一个模块。

先用组合逻辑试试。

输出是4位的二进制数，从0到F 代表按键位置的编号，如图二矩阵键盘简化示意图所示。

其中en 是使能信号，en 为高电平时模块开始判断按键位置。

由行线输入和扫描码判断按键位置的具体原理是什么呢？还是要分别确定行和列。

首先看行线输入，如果是0111 。

就确定是第一行。

如果是0100就确定是第二行……如果是1111，就捕捉对应的扫描码。

将行与扫描码对应就得到按键位置。

在没有键按下的时候列线电平状态是{col 0,col 1,col 2,col}=0000 。

一旦有键按下立即输出列线扫描码key_col_scan 和始能信号给key_position 模块，没有键按下就回到{col 0,col 1,col 2,col}=0000的状态同时把en 拉低。

此功能可独立作为一个模块。

前面分析可知，只要key_row_in 不是4’b1111就是有键按下了。

扫描码的频率取多少合适呢？夏老师的参考代码中扫描码的变换速度是1ms 一次。

一秒钟循环扫描250次。

还需要写一个分频模块了。

Key_position
en Key_row_in Key_col_scan Key_position Key_judge Key_row_in Clk Rst en Key_col_scan
分频模块：
系统时钟依然是50MHZ 。

clk_period=20ns clk_divide_period=1ms; 1ms=106ns=5x104clk_period
由写数码管驱动时的分析可知，Binary[n]每隔十进制数值加2n+1循环一次。

而且0和1各占半个周期。

216=65536，215=32768 。

取n+1=15,用binary[14]来分频。

通过分频模块，key_position 模块，key_judge 模块可以得到按键的位置信息。

有键按下时1ms 得到一个按键位置。

相同的按键位置持续20ms 以上才算有效。

可以用状态机实现这种判断。

接下来的问题是一个有效按键持续的时间需要被记录么？比如某些手机上有长按某键开关机的功能，那就是记录了按键的时长。

还有某些计算器上持续按一个键一段时间屏幕上会显示一串字符，那一定是不管按键是否抬起，只要持续一定时长就算一次按键。

由此看来，为了实现更多功能，我们有必要记录按键时长。

方法就是设置一个计数器，在en 为高的状态下相同按键持续20ms 算一次有效，计数器加一。

计数器所记录的就是按键有效了多少次。

当en 为低的时候说明按键被松开了，计数器清零。

把按键有效位置和有效次数都作为驱动程序的输出，至于数码管如何显示就要看实际的需求了。

下一个问题是16ms 算一次有效只需要写一个16状态的状态机。

如果遇到200,2000ms 有效的情况呢？一个思路是继续分频，加大判断的时间间隔。

但这并不是好方法。

听李老师说可以用generate 写数量大的状态机。

下面是总体架构：
Clk rst
en Key_position Key_valid_position Valid_counter Filter_shake
Divide
clk Rst_n Clk_divide Key_judge Key_row _in
Clk Rst
en Key_col _scan Clk rst en Key_posit
ion
Key_valid_positi on
Valid_cou nter Filter_sha
ke
Key_position en Key_row_i Key_col_sc an Key_positio
最大框图之外的引脚，左侧从上到下依次是clk, rst_n, key_row_in; 右侧依次是valid_counter, key_valid_position, key_col_scan;。