數電課程設計報告--設計一個按鍵陣列判斷電路

1、<p><b>　　數電課程設計報告</b></p><p>　　第一章設計指標 ……………………………………....……...…….... 設計指標 ……………………………………………………………....第二章 系統(tǒng)概述 ………………………………………...…..…...….... 2.1設計思想 ………………………………………………………….. 2.2可行性論證

2、 …………………………………………….…...…... 2.3各功能的組成 ………………………………………………………2.4總體工作過程 ………………………………………………………第三章 單元電路設計與分析 ………………………………...…...…...3.1各單元電路的選擇 ………………………………………………3.2設計及工作原理分析 ………………………………………………第四章 電路的組構與調試 ………………

3、…………………..…...…... 4.1 遇到的主要問題 ………………………………………………….. 4.2 現象記錄及原因分析 ……………………………………………. 4.3 解決措施及效果 ………………………………………………</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………</p><p><b>　　班級:電氣1101</

4、b></p><p><b>　　姓名:曹帥</b></p><p>　　學號:110900122</p><p><b>　　第一章、設計指標</b></p><p>　　1.1 設計指標 設計一個按鍵陣列判斷電路，采用發(fā)光二極管點陣顯示器以 12 個顯示符標識 12 個按鍵。當有健按下時，

5、顯示其標識符，并保持顯示符直到新的按鍵作用。如果多個按鍵同時閉合，只響應最先作用的按鍵。</p><p>　　1.2 硬件環(huán)境 設計對象的實現環(huán)境與采用的 FPGA 開發(fā)裝置有關，本節(jié)以 LP—2900 為例，說明采用按鍵陣列掃描和點陣顯示器控制電路的設計原理和實現方法。 、 、 LP—2900 開發(fā)裝置上有“0~9”“*”“#”共 12 個鍵構成的 3 行 4 列按鍵陣列以及 8 行 8 列 64 個點的點陣顯

6、示器。 FPGA 通過端口 RK1RK3 讀取鍵陣列的行線狀態(tài) X0-X2；通過 3—8 線譯碼器控制鍵陣列的列線 Y0-Y3。74138 的譯碼輸入由 FPGA 端口 DE3DE1 控制。 點陣顯示器各行由 FPGA 的端口 ROW1ROW8 控制，點陣顯示器各列由 FPGA端口 C1C8 通過反相器控制，以滿足電流驅動能力。</p><p><b>　　第二章、系統(tǒng)概述</b></

7、p><p><b>　　2.1 設計思想</b></p><p><b>　　1.按鍵掃描原理</b></p><p>　　數字電路中，按鍵的閉合和斷開狀態(tài)可以通過其控制的邏輯電平判斷。</p><p>　?。?）按鍵狀態(tài)判斷 按鍵的閉合斷開可以轉換成代表 “0” 或“ 1” 的二值邏輯的低電平和高電平

8、，判斷電路輸出的電平即可了解按鍵的通、斷狀態(tài)。按鍵一般為機械開關，其觸點的合、斷有彈性抖動。抖動時間約5-10ms。為了保證按鍵動作一次，電路只判斷到一次電平狀態(tài)的改變，需要采用消抖動措施。采用基本 RS 觸發(fā)器可以對電平信號整形，實現消抖。</p><p>　?。?）按鍵陣列判斷 </p><p>　　若需要判斷的按鍵較多，為節(jié)省信號端口資源，一般將按鍵分成行、列兩組連接成陣列形式。&l

9、t;/p><p>　　16個按鍵陣列如圖所示每個按鍵跨接在一條行線和一條列線間。當按鍵閉合時，行線與列線接通。每條行線都通過一個電阻上拉到+5V 電位，當行線上的所有按鍵都未閉合時，行線一定為高電平。當某條列線為低電平是，根據各行線的電平可判斷該列線上各鍵的狀態(tài)。</p><p>　　比如，當Y1為低電平時，如果4條平行線X0，X1，X2，X3的狀態(tài)為“1011”，可判斷S11鍵閉合，S01，

10、S21，S31斷開；若X0，X1，X2，X3的狀態(tài)為“0101”則可判斷S01，S21閉合</p><p>　　（3）按鍵掃描判斷 </p><p>　　若以負脈沖掃描序列信號控制鍵陣列的列線，使各列線分時為低電平，同時順序判斷各行線電平，就能逐個確定各鍵狀態(tài)。顯然，每個按鍵的掃描時間是列線的低電平時間，而陣列的掃描周期是按鍵掃描時間乘以鍵數。所以，按鍵的閉合時間必須大于陣列掃描周期，否則

11、閉合狀態(tài)可能會被遺漏。比如，當陣列為16 個鍵時，如果每個鍵的掃描時間是 10ms，則鍵的閉合時間必須大于 0.16s。按鍵的閉合時間因人的動作快慢而異，通常為零點幾秒至一點幾秒。</p><p>　　2.發(fā)光二極管點陣顯示原理 </p><p>　　點陣顯示電路是由發(fā)光二極管組成的陣列。每一行發(fā)光二極管的陽極接在一起，由行信號 ROWi 控制；每一列發(fā)光二極管的陰陽極接在一起，由列信號

12、Cj驅動。如圖是8行8列發(fā)光二極管點陣顯示電路圖 ，從上到下各行，從左到右各列編號依序增加。當某行信號為1某列信號為0時，連接該行該列二極管發(fā)光。</p><p>　　如果把發(fā)光二極管陣列的每一行看做一個 8 段共陽顯示器，ROWi 為陽極公共端，每一列 Cj 就是顯示器的一個段，低電平有效。這樣，8*8 點陣顯示電路與 8 位動態(tài)掃描共陽顯示電路的結構完全相同，當行掃描信號為高電平時，列信號的低電平可以控制該行

13、各列的發(fā)光管亮。比如，當 ROW1 為高電平時，若列信號 C1C8 為“01111110” 則 ROW1 行第一和最末的發(fā)光管滅，其他 6 個亮。同理，若把發(fā)光二極管陣列的每一列看做一個 8 段共陰顯示器，Cj 為陰極公共端，8*8點陣顯示電路就與 8 位動態(tài)掃描共陰顯示電路的結構相同。 </p><p>　　由于 LP—2900 開發(fā)裝置上點陣顯示器的列信號通過反相器驅動，所以其FPGA 的列控制邏輯為高電平有

14、效，即當 ROWi、Cj 都為“1”時，第 i 行、第 j列的發(fā)光二極管亮。</p><p>　　根據動態(tài)掃描顯示控制的原理，如果采用一個計數器順序產生 8 路行掃描信號 RW1RW8，同時根據各行發(fā)光二極管的顯示要求同步控制列信號，當掃描計數頻率足夠高時，點陣顯示的效果為一個穩(wěn)定的字符。</p><p>　　2.2 可行性論證 </p><p>　　該設計方案在理

15、論上是可行的。按鍵掃描部分由狀態(tài)機 A 提供各個掃描信 用號， ROM 實現代碼轉換功能，發(fā)光二極管點陣顯示電路由 3 位二進制數控制行掃描信號，同時控制列顯示碼同步循環(huán)輸出，即可顯示預設的字符。</p><p>　　2.3 各功能的組成</p><p>　　根據按鍵陣列的判斷原理，可采用一個計數器產生按鍵編碼信號。計數器的脈沖周期等于按鍵的掃描時間，計數器的模 M 大于等于被掃描的按鍵數

16、 N。本設計要求判斷 12 個按鍵的陣列，所以可采用 4 位二進制計數器產生按鍵掃描碼。計數器輸出控制譯碼器產生列掃描信號 Y0-Y3，并控制數據選擇器選擇行線電平Xi。當被掃描的按鍵閉合時，選擇器的輸出信號控制寄存器保存計數器當前的鍵碼狀態(tài)，同時封鎖計數器停止鍵掃描，以避免其他按鍵閉合時產生的影響。</p><p>　　發(fā)光二極管點陣電路采用 3 位二進制計數器譯碼后掃描控制其行（列）信號ROWi（Cj），同時

17、控制列（行）顯示碼同步循環(huán)輸出。所以，必須設計一個譯碼邏輯元件，根據寄存器保存的按鍵編碼輸出鍵符顯示列（行）控制碼。鍵符顯示譯碼器可采用 AHDL 真值表方式、組合邏輯器件或只讀存儲器 ROM 來實現。采用ROM存儲鍵符列顯示碼的參考設計電路如圖所示如果用LP-2900開發(fā)裝置完成設計，圖中虛線以外的電路由FPGA實現。</p><p>　　2.4 總體工作過程</p><p><b

18、>　　1.按鍵編碼 </b></p><p>　　計數器 A 輸出 4 位二進制碼 Q3-Q0，每組碼通過譯碼器 A 產生一列低電平有效的列信號，同時通過數據選擇器選中一個行線信號判斷連接該列、該行的按鍵狀態(tài)。當數據選擇器輸出低電平時，表示被掃描鍵閉合。所以，計數器輸出的二進制碼與陣列中的按鍵一一對應。顯然，按鍵的編碼位序與計數器的輸出控制有關。若計數器的高兩位輸出 Q3、Q2 控制選擇信號 B

19、1 和 B0，低兩位輸出 Q1、Q0控制譯碼信號 A1 和 A0，則計數器輸出為“0001”時，Y0 為低電平，選擇輸出X1 的狀態(tài)，掃描按鍵 S2。因此，“0001”為 S2 的鍵碼。</p><p><b>　　2.鍵符顯示碼存儲</b></p><p>　　由于 ROM 的數據輸出控制點陣的列信號 C1-C8，因此 ROM 中每個存儲單元的數據就是一行列控制碼，

20、每位數據控制一列。一個顯示符的 8 行控制需要 8 個單元的列碼數據，12 個不同的鍵符顯示需要 96 個存儲單元，這樣顯示譯碼存儲器至少需要 7 位地址。如果 ROM 的高 4 位地址 A6A3 由鍵碼 Q3Q0 控制，低 3 位地址 A2A0 由行掃描計數器 B 控制，每個顯示符的 8 行列控制碼被存放在以鍵碼劃分塊的連續(xù) 8 個存儲單元中。 </p><p>　　建立存儲數據文件時要注意數據位序與點陣序列的

21、關系以及存儲單元低 3位地址與點陣行序的關系。比如，若存儲器的數據輸出 D7-D0 依序控制 C1-C8，則數據碼從高至低位分別對應點陣顯示器的從左至右列。如果狀態(tài)機 B 的輸出與譯碼器 B 的輸入及存儲器低 3 位地址的位序對應相同，當譯碼器 B 的輸出 Y0-Y7依序控制 ROW1-ROW8 時，每個字符碼的 8 個存儲單元從低地址到高地址分別對應點陣顯示器從上至下各行。</p><p>　　第三章 單元電路

22、設計與分析</p><p>　　3.1 各單元電路的選擇</p><p>　　1.分頻器 分頻器提供固定的頻率輸出，用以控制整個電子系統(tǒng)的時鐘。分頻器由 7片二五—十進制計數器 7490 組合完成，每級為十分頻，共輸出 10MHZ1HZ 共 8檔頻率信號，輸入為 FPGA 的石英晶振提供的 10MHZ 的頻率。</p><p>　　2.狀態(tài)機（計數器） 整個系統(tǒng)共包

23、含 2 個狀態(tài)機，即計數器，由 2 片 2 進制計數器 74161 構成。狀態(tài)機 A 用于按鍵陣列選擇，狀態(tài)機 B 提供行掃描的頻率。</p><p>　　3.寄存器 寄存器用來保存由按鍵陣列選擇的存儲器地址的高 4 位，由 8 位鎖存器74194 構成。</p><p>　　4.顯示碼存儲器 存儲器由自行設計的 1288ROM 構成，每個單元存 8 位，共 8 根輸出數據線。</p

24、><p>　　5.數據選擇器 數據選擇選用雙片集成 4 選 1 數據選擇器 73153，用于選擇按鍵陣列的行信號。</p><p>　　6.譯碼器 譯碼器采用 3—8 線譯碼器 74138，配合狀態(tài)機實現逐行掃描功能。7.反相選擇器 反相器用來使74138的輸出反向，因為在LP-2900中ROWi是1有效，而74138的輸出為低電平。</p><p>　　3.2 設計及

25、工作原理分析</p><p>　　1.分頻器 一片 10 進制計數器可以完成一個時鐘信號的 10 分頻，如果使用 7 片完成級聯，即可做到 107 分頻。 7490 為二五—十進制計數器，其中輸入 CLK1，輸出 QA 為二進制計數器；輸入 CLK2，輸出 QCQBQA 為 5 進制計數器。CLRA，CLRB 為異步復位端，SET9ASET9A為異步置 9 端，均為高電平有效。 要實現 10 分頻有兩種接法，第一

26、種是外部輸入時鐘信號進 CLKA，然后輸出QA 接輸入 CLKB，另一種是外部輸入時鐘信號進 CLKB，然后輸出 QD 接輸入 CLKA。兩種接法的區(qū)別在于：第一種接法使用 QD 作為每一級分頻的輸出端，這種輸出時鐘的占空比為 20，而第二種接法使用 QA 作為輸出時鐘信號，這種時鐘信號的占空比為 50，按照實驗要求，所以我選擇第二種接法。在1KHZ頻率之后再接一個2分頻使得頻率變?yōu)?00HZ</p><p>　

27、　2.狀態(tài)機 本系統(tǒng)總共使用了兩個狀態(tài)機，狀態(tài)機 A 位于分頻器之后，寄存器之前，在分頻器的輸出時鐘信號的控制下，不斷改變狀態(tài)，當某一狀態(tài)與按鍵陣列某一按鍵所對應的行列控制信號相同時，便將該狀態(tài)保持并送入寄存器。 狀態(tài)機 A 用單片 74161 構成，復位端 CLRN 和置數端 LDN 都接高電平，使之無效，ENP 與 ENT 均由數據選擇器的輸出 Y 控制，當 Y 為低電平時，便保持當前狀態(tài)停止計數，當Y為高電平1時繼續(xù)計數。CLK

28、接分頻器的輸出端，由于無需置數，所以 ABCD 四端口斷開。 狀態(tài)機 B 也是單片 74161，由分頻器選擇某一頻率輸入，使能 ENP 與 ENT 均接高電平有效，復位端 CLRN 和置數端 LDN 都接高電平，使之無效。輸出只取QC，QB，QA 組成的 8 種狀態(tài)控制 8 個行掃描信號。</p><p>　　3.寄存器 寄存器用于暫時存放狀態(tài)機 A 的輸出信號，然后將它傳入存儲器。我用 74194作為寄存器，該

29、芯片共可存4位，其鎖存端 LD 為上跳變有效，所以輸入端 GCLK直接接到數據選擇器的輸出端 Y 上。 </p><p>　　4.顯示碼存儲器 顯示碼存儲器由自定義 ROM 完成。由于一共有 12 個按鍵，每一個按鍵共包含 8*8，64 位二進制數表示的信息。我們將 8 位二進制數作為一個內存單元，則共需要 96 個單元，所以采用 1288 的 ROM。其輸入為 7 位地址信號，輸出為 8位數據信號。</p

30、><p>　　5.數據選擇器 數據采選擇器用雙片集成 4 選 1 數據選擇器 74153，但只使用其中一片。選擇信號 A 和 B 分別接狀態(tài)機 A 的 QA，QB，數據選擇信號 D0，D1，D2 分別接 2C0，2C1，2C2，由于當無按鍵按下時 D0，D1，D2 為高電平，摸為16時D3必須接高電平防止電路自鎖，所以剩余的引腳 2C3 需接高電平。</p><p>　　6.譯碼器 譯碼器74

31、138的連接就按正常的連接方式使用，輸入為狀態(tài)機 B 的三個輸出信號，輸出為點陣顯示器的行選擇信號。 </p><p>　　第四章 電路的組構與調試</p><p>　　4.1 遇到的主要問題 </p><p>　　最開始做時不太了解quartus的各種功能，連線和標引腳時經常出現錯誤。并且按鍵掃描原理以及點陣的顯示原理也不是太明白， 74161和74153輸出所對

32、應的12位按鍵數值不確定，74138和ROM5輸出控制行電位還是列電位不清楚，各個元件的端口都由什么控制，輸出控制什么，高低位都不太清楚。</p><p>　　4.2 現象記錄及原因分析 </p><p>　　最開始做完的一次，雖然有數字顯示，但是顯示的數字和所要求的不同，即按下去的數值鍵和點陣所顯示的數字不是相對應的，而且最后一行3個按鍵“*”“9”“#”顯示不出來，經過檢查發(fā)現是RO

33、M5和74138譯碼器的輸出控制行列反了，而且ROM5的控制順序也是反的4.3 解決措施及效果 </p><p>　　將ROM5和74138輸出行列控制交換過來，并且將ROM5的輸出高低位控制列順序反過來，交換過后成功的在點陣上有了正確顯示。4.4 功能的測試方法、步驟、設備、記錄的數據</p><p>　　1.按鍵部分：將狀態(tài)機A的輸出Q3，Q2，Q1，Q0分別接L1，L2，L3，

34、L4四盞燈，看其按鍵顯示是否滿足下表中的鍵碼與顯示符兩列的要求，</p><p>　　2.顯示部分：將ROM元件的四個高位輸入端接四個按鍵，如SW1，SW2，SW3，SW4，則看其按鍵內容是否滿足表中的鍵碼與顯示符兩列要求；</p><p>　　3.如果按下按鍵后不能很好鎖存，則考慮是寄存器的問題，可考慮在寄存器輸入端加一單穩(wěn)電路。</p><p>　　其中ROM5

35、中的96單元rom表如下</p><p>　　4.紅綠顯示轉換：對于附加項所要求的紅綠點陣顯示轉換，我另外加了2個輸入端口和ROM的輸出分別通過與門來控制，通過2組q【0】——q【7】各對應LP-2900不同引腳號（即一組與紅色點陣編號相對應，另一組與綠色點陣相對應）。通過控制兩個輸入的高低電位狀態(tài)來控制同一ROM輸出所對應的不同顏色的點陣。</p><p><b>　　第五章

36、結束語</b></p><p>　　5.1對設計題目的結論性意見及進一步改進的意向說明</p><p>　　本次設計題目總體來說有一定難度，但是通過2周的時間，從最開始的了解QUARTUS軟件，了解LP-2900實驗裝置，再到后來從簡單的全加器，兩位串行進位加法器，分頻器，彩燈的設計，以及最后按鍵陣列掃描及點陣顯示器控制電路設計。整體的感覺慢慢的越來越好。</p>

37、<p>　　我所做的按鍵陣列掃描及點陣顯示器控制電路設計雖然大體上滿足了設計的要求，但是沒有加單穩(wěn)，使得字符顯示不是很穩(wěn)定，并且還有上機顯示。所做的按鍵發(fā)聲的擴展也不是要求中的多.來.米.發(fā).索.拉的高中低3種音域。</p><p>　　應該用4位按鍵掃描碼選擇不同分頻率控制模可控計數器產生音頻信號驅動蜂鳴器發(fā)音。通過按鍵掃描碼控制ROM輸出控制不同的分頻參數作為遞減計數器的預置值，實現分頻率可變分頻

38、器。</p><p>　　計數器狀態(tài)為全0碼時溢出信號有效，控制計數器重新預置進入新一輪循環(huán)，蜂鳴器控制信號希望是50%占空比?？捎肨’觸發(fā)器二分頻實現。</p><p>　　5.2 總結設計的收獲與體會</p><p>　　課程設計剛開始，拿著選定的題目不知如何入手。靜下心來，仔細分析題目，再加上指導老師的說明與提示和認真閱讀老師所發(fā)的指導書和PPT，心中才有了譜

39、。將整個系統(tǒng)根據不同的功能化分成模塊，再分別進行設計，逐個攻破，最后再將其整合即可。</p><p>　　通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力</p><p>　　平日學習中所得的課堂知識只有通過這樣的時間才能化為一門真正自己掌握

40、的知識，而且從這次課設中我還學習到了凡事要耐心，要仔細，經常一個很細小的錯誤就可能造成整個程序的錯誤，另外在課設中發(fā)現有很多上學期學過的數電知識內容都已忘記，所以說只有不斷地復習與實踐才能真正的記住和學會一門課程。</p><p>　　最后要感謝這次課設中的各位老師給予我很大幫助，耐心細心的幫助我解決問題，幫助我成功的掌握了QUARTUS軟件的應用和LP-2900的按鍵功能。各位老師辛苦了。</p>