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简介：《按键阵列扫描及点阵显示器控制电路设计》面向学习数字电子技术与FPGA应用的学生及工程人员，围绕3行4列按键阵列的识别与8行8列点阵显示器的字符显示控制展开，重点解决按键消抖、逐列扫描、键码锁存以及动态扫描显示等典型问题。资源包内为1个doc文档，约253KB，内容按设计指标、系统概述、单元电路设计与分析等章节组织，结合LP-2900开发装置说明74138译码、计数器、状态机、ROM键符译码和行列驱动电路的具体实现。已有551人浏览学习，可作为课程设计、实验报告或同类人机交互电路设计的参考，帮助读者梳理从按键编码、显示码存储到点阵循环显示的完整设计思路，并理解多键同时按下时只响应首个按键的处理逻辑。

1. 12个键、64个点：从一次按键到一屏字符的完整链路

按下“5”，8×8 点阵屏上出现一个“5”；再按“*”，它换成“*”；两个键同时按住，只认先到的那个。键盘处理、屏幕显示、多键先响应，这三条需求拆开看都不复杂，但要落在 FPGA 上，就得把分频、扫描计数、列译码、行线选择、锁存、字模 ROM、动态扫描、反相和红绿配色串成一条环环相扣的链路。这套按键阵列扫描与点阵显示控制电路设计，正是把这条链路完整走一遍的工程样例：3 行 4 列共 12 个按键，8 行 8 列共 64 个点的显示器，12 个符号一一对应。它适合两类人：数字电子技术课程设计要交板子的，以及想弄明白“矩阵键盘 + 点阵屏”这对经典组合在门级是怎么跑起来的人。它没有现成库可以调用，只能照着原理图连，写 AHDL 或 Verilog，再上板点亮。

2. 系统架构与器件选型：扫描链和显示链怎么共用一套键码

整套电路可以拆成两条并行链路，它们只在“键码”这个 4 位信号上汇合。按键扫描链路负责在 12 个键里找出被按下的那个，把它的编号锁进寄存器；显示链路负责把这个编号当作字模表的高位地址，配合行扫描计数循环取出 8 个字节，逐行刷到点阵上。两条链路共享一个时钟源，但节拍完全不同：扫描要慢到人手动一下就扫过一轮，显示要快到人眼看不出逐行切换。

2.1 两条链路的数据流

按键侧的顺序是：4 位计数器产生扫描码，低两位送 3-8 译码器拉低某一列，高两位送 4 选 1 数据选择器选中某一行，行线电平经数据选择器输出后取反，作为锁存器的时钟，把当前计数值存下来。显示侧的顺序是：3 位计数器同时驱动行译码器和 ROM 的低 3 位地址，ROM 输出 8 位列码，经同或门做可选的极性反转，再进颜色选择网络，最后从 C1~C8 出去驱动点阵列线。

这张表值得对着原理图看一遍，因为它解释了后面所有“接反了会怎样”的问题：键码和行扫描码在 ROM 地址里是拼在一起的，高 4 位是键，低 3 位是行，地址位序一旦调换，取出来的字模就会整体错位成另一个字符。

2.2 单元电路分工

分频器用 7 片 7490 级联，把板上 10MHz 晶振分成 10MHz 到 1Hz 共 8 档，给两个状态机提供不同节拍。状态机 A、B 各用一片 74161，前者做按键扫描计数，后者做行扫描计数。寄存器用 74377，8 位只用其中 4 位。显示码存储器是自建的 128×8 ROM，7 位地址、8 位数据。数据选择器用 74153，双片封装只取一片，选 3 路行线。译码器用 74138，一路管列、一路管行。反相选择器是纯组合逻辑搭的 9 进 8 出同或门，外接一个电平开关控制正相或反相。颜色选择器用了 8 片 74138，每位数据配一片，靠 A 脚的电平在红、绿两路输出之间二选一。

后两个器件看起来有点“浪费”：为了一个取反和一个换色，动用了 9 片芯片。但在实验箱这种以验证逻辑为主的场景里，用现成译码器搭选择网络，比写一段组合逻辑更容易在原理图上定位问题，波形也能直接探到每个引脚。

2.3 时钟预算：10MHz 怎么分到八档

7490 是二-五-十进制计数器，内部一个 2 分频和一个 5 分频。做 10 分频有两种接法：时钟进 CLKA、QA 接 CLKB，从 QD 取输出，占空比只有 20%；时钟进 CLKB、QD 接 CLKA，从 QA 取输出，占空比 50%。这里选第二种，原因是扫描信号的高低电平时间要均衡：列线拉低的时间和释放的时间各占一半，行线选通与列码建立的时间余量才一致，不会出现某一档频率下“列码还没稳定行线就关了”的情况。

7 片级联后总的分频比是 10⁷，从 10MHz 一路抽头得到 8 档：

按键扫描的节拍要另算。12 个键，每个键占一个扫描周期，如果单键扫描时间取 1ms，整轮就是 12ms。人按一次键的闭合时间通常在零点几秒到一秒多，12ms 远小于这个量级，不会漏键。反过来，如果单键扫描时间取 10ms，整轮 120ms，虽然还能用，但已经接近一些快速点按的边界了，这是后面排查“偶尔按了没反应”时要先怀疑的参数。

3. 按键扫描链路拆解：74161、74153、74377如何锁住第一个按下的键

这条链路的精髓不在于“扫”，而在于“停”。扫描谁都会做，难的是在扫到第一个闭合键的瞬间把计数器按住，让它不再往前走，这样后续再按别的键也不会改写显示。整个“只响应最先作用的按键”的语义，就是靠使能端实现的。

3.1 4位计数器产生键码：谁管行、谁管列

状态机 A 是一片 74161，复位端和置数端都接高电平使其失效，ENP 和 ENT 并联后由数据选择器的输出 Y 控制，时钟接分频器输出。它的 4 位输出 Q3~Q0 要拆成两组用：一组去 74138 选列，一组去 74153 选行。哪两位管哪一组，直接决定了键码的编号方式。

按教材上的常规接法，Q3、Q2 进数据选择器的 B1、B0 选行，Q1、Q0 进译码器的 A1、A0 选列。这样计数值 0001 时，Y0 为低（第 0 列），同时选中 X1（第 1 行），扫到的是第 1 行第 0 列的键。12 个有效键码是 0~11，无效的是 12~15，因为只有 3 行。

如果反过来接，Q3、Q2 去选列、Q1、Q0 去选行，有效键码就变成了另一套编号，无效码也跟着变成 3、7、11、15。两种接法都能跑，但字模表的排布必须跟着改：ROM 的高 4 位地址就是键码，键码编号变了，12 个字模块的位置全得挪。这一点在后面第 5 章会展开，它是这个项目里最容易翻车的地方。

用等效的硬件描述语言写出来，扫描核心大概是这样：

// 12键(3行×4列)扫描核心，等效于 74161 + 74153 + 74377 // 行线 X0~X2 上拉，无键按下为 1；列线 Y0~Y3 低电平有效 module key_scan_core ( input wire clk_scan, // 扫描节拍，取 1kHz input wire rst_n, input wire [2:0] row_in, // X0~X2 output reg [3:0] key_code, // 锁存后的键码，送 ROM 的 A6~A3 output reg [3:0] cnt, // 4位扫描计数器，等效 74161 output wire locked // 1 = 已锁存，暂停扫描 ); wire [1:0] col = cnt[1:0]; // Q1Q0 -> 74138 的 A1A0，选列 wire [1:0] row = cnt[3:2]; // Q3Q2 -> 74153 的 B1B0，选行 // 74138 只用了低 2 位地址，输出低有效 reg [3:0] col_line; always @(*) begin case (col) 2'd0: col_line = 4'b1110; 2'd1: col_line = 4'b1101; 2'd2: col_line = 4'b1011; default: col_line = 4'b0111; endcase end // 74153 按行号选一路行线；行号 3 不存在，等效于接高电平 wire row_sel = (row < 2'd3) ? row_in[row] : 1'b1; assign locked = ~row_sel; // 有键按下时 Y=0，封锁计数器 reg locked_d; always @(posedge clk_scan or negedge rst_n) begin if (!rst_n) locked_d <= 1'b0; else locked_d <= locked; end // 74377 在 Y 的下降沿（即 locked 的上升沿）锁存一次 always @(posedge clk_scan or negedge rst_n) begin if (!rst_n) key_code <= 4'd0; else if (locked & ~locked_d) key_code <= cnt; end // ENP=ENT=locked 取反：没键按下就继续数，按下就停 always @(posedge clk_scan or negedge rst_n) begin if (!rst_n) cnt <= 4'd0; else if (!locked) cnt <= cnt + 4'd1; end endmodule

代码里几个关键点对应到硬件：cnt是 74161 的输出，locked是数据选择器输出经反相后的结果，key_code是 74377 的锁存值。锁存条件写成locked & ~locked_d，是为了复现“下降沿有效”：只有一个扫描节拍内新出现的按下动作才写入，按住不放不会反复刷新。row < 3这个判断对应 74153 的第 4 路输入接高电平，因为只有 3 行，第 4 路永远不该被选中。

参数上，clk_scan取 1kHz 意味着单键 1ms、整轮 12ms；如果板上分频器只给到 100Hz，单键就变成 10ms、整轮 120ms，这时候快速点按就可能漏，需要把分频档位往上调一档。

3.2 行线选择与锁存时序

74153 在这里干的事很朴素：4 选 1，把当前扫描行对应的那根行线接到输出 Y 上。三路行线接 1C0、1C1、1C2，第四路 1C3 因为无键按下时应当为高，直接接 VCC。这样扫描到不存在的第 4 行时，Y 恒为高，不会误判成有键按下。

锁存环节有个细节容易忽略：74377 的锁存端是下降沿有效，而数据选择器在“有键按下”时输出低电平。也就是说，按下动作本身产生的是一个下降沿，如果直接把 Y 接到锁存端，锁存会发生在按下瞬间电平跳变的那一刻，此时计数值可能还没稳定。所以中间要加一级反相器，把 Y 取反后再送时钟端，让锁存动作落在反相后的上升沿上，正好对应计数器已经停稳之后的那个节拍边缘。

这个反相器不是可有可无的“逻辑取反”，它是时序上的一个缓冲。少了它，上板后常见的现象是显示的字偶尔差一格，像是按了“5”出来“6”，因为锁存抓到了计数器跳变的中间态。

3.3 消抖与“只认第一个”的封锁逻辑

机械按键的触点在闭合瞬间会弹跳几毫秒到十几毫秒，波形上是一串快速脉冲。如果扫描节拍正好落在这串脉冲里，Y 就会产生多个下降沿，锁存器被反复写入，虽然写进去的可能是同一个键码，但如果抖动期间计数器已经走到下一格，就会锁成相邻的键。

基础做法是用基本 RS 触发器对行线信号整形，把抖动的模拟波形变成干净的单次跳变。这个做法在单键电路里很好用，但在阵列扫描里有个前提：RS 触发器要放在数据选择器之后、锁存器之前，而且两只交叉耦合的与非门要共用同一组电源和地，否则整形出来的边沿仍然带毛刺。

更稳妥的常见做法是加两级同步采样：用扫描节拍对row_sel连续采两次，两次一致才认。这相当于一个数字低通，把短于一个扫描周期的毛刺全部滤掉。代价是响应延迟一个节拍，对 1ms 的扫描周期来说完全可以接受。

“只认第一个”的实现则完全落在使能端上：Y 为低时，74161 的 ENP 和 ENT 同时为 0，计数器保持当前值不再递增。此时无论再按下哪个键，数据选择器的输出怎么变，计数值都不动，ROM 的高 4 位地址也就不动，显示自然停在第一个键上。等到手松开，Y 回到高，计数器恢复计数，下一次按下才会写入新的键码。这里没有复杂的优先级仲裁电路，一个使能信号就完成了全部语义。

4. 点阵显示链路拆解：128×8 ROM、动态扫描与红绿配色

显示侧要解决的是“怎么用 8 根行线加 8 根列线，让 64 个点在任何时刻看起来都是同时亮的”。答案是把时间切片：任一时刻只点亮一行，8 行轮一遍只要够快，人眼就会把残影拼成完整的字符。所有设计都围绕这个切片展开。

4.1 ROM地址映射：高4位是键，低3位是行

12 个符号，每个符号 8 行，每行 8 位，一共需要 12×8=96 个存储单元。地址线至少要 7 位（2⁷=128），所以 ROM 做成 128×8。地址的高 4 位 A6~A3 接寄存器输出的键码，低 3 位 A2~A0 接行扫描计数器的输出。这样每个键码在地址空间里占连续的 8 个单元，从低地址到高地址正好对应点阵从上到下的 8 行。

这个映射关系有个直接推论：ROM 里会有 32 个单元永远取不到，因为 4 位键码有 16 种取值，而实际只有 12 个键。取不到的块是键码 12~15 对应的地址段，如果计数器位序接反，取不到的就变成 3、7、11、15 对应的段。这 32 个单元必须显式填 0，不能留空让综合工具随便填，否则上电瞬间点阵上会冒出几行乱码。

存储数据的位序同样要对齐。ROM 的 D7~D0 依序控制 C1~C8，那么一个字节从高位到低位就对应点阵从左到右的 8 列。以字符“0”为例，第一行只想亮中间四列，数据就是0x3C（00111100）；边框行想亮最左最右两点，数据就是0x81（10000001）。写数据文件时如果把这个顺序搞反，显示出来的字会左右镜像。

-- 128×8 ROM 初始化片段，键码 0 占 0x00~0x07 DEPTH = 128; WIDTH = 8; ADDRESS_RADIX = HEX; DATA_RADIX = HEX; CONTENT BEGIN 00 : 3C; -- 第 1 行，中间四点亮 01 : 66; -- 第 2 行 02 : 6E; 03 : 76; 04 : 66; 05 : 66; 06 : 3C; 07 : 00; -- 第 8 行留空，字模不顶到边 18 : 00; -- 键码 3 是无效码，整块清零 19 : 00; -- 其余无效块同理，每块 8 个单元 END;

这段 mif 片段里，00~07是键码 0 的 8 行字模，18~1F是键码 3 的 8 个单元。填 0 的意义不只是“好看”，它让无效键码对应的显示是黑的，而不是随机亮点，调试时一眼就能看出是取到了无效块还是字模本身有错。

4.2 行扫描与列码同步

状态机 B 也是单片 74161，使能端接高电平常开，复位和置数端接高失效，时钟从分频器取一档。输出只取 QC、QB、QA 三位，组成 0~7 八个状态，送 74138 译码成 8 根行选通线 ROW1~ROW8。同一组三位信号还要接到 ROM 的 A2~A0，保证“选通第 i 行”和“取出第 i 行字模”是同一个时刻。

这里的同步靠的是物理上的同一根线，不是靠两个计数器碰巧同频。如果行译码和 ROM 地址分别来自两个不同的计数器，哪怕频率一样，上电初相也可能差一拍，结果是每一行显示的都是上一行的内容，整个字看起来像被向上平移了一格。这类问题在仿真里不一定暴露，上板才看得见。

行扫描频率的选择要兼顾刷新率和亮度。8 行扫一轮，若单行停留 1ms，整屏刷新率是 125Hz，远高于人眼 50Hz 的临界闪烁频率，看起来是稳定的。如果单行停留 10ms，刷新率掉到 12.5Hz，屏幕会明显抖动。另一方面，单行停留时间太短，LED 的导通时间不足，亮度会掉下来，在环境光强的地方看不清。常见折中是单行 0.5~2ms 之间，对应分频档位的 1kHz 到 4kHz。

列信号的建立要在行选通之前完成。74138 译码有传输延迟，ROM 读出也有访问时间，如果行线已经拉高、列码还在变化，那一行会闪出一段错误的亮点。稳妥做法是在行选通和列输出之间留半个节拍的余量，或者干脆接受这点轻微拖影，因为 8×8 的点阵面积小，肉眼很难分辨。

4.3 反相选择与红绿切换

反相选择器解决的是“前景背景互换”的需求。它由 9 个输入、8 个输出组成：8 个输入来自 ROM 的数据位，第 9 个是外接电平开关，输出是每一位与开关做同或的结果。真值表很直白，开关为 0 时输出等于输入，开关为 1 时输出取反，整屏的黑白就翻过来了。

用同或门而不是异或门，是因为这里的开关信号默认是高电平无效。同或的逻辑是“相同为 1、不同为 0”，开关为 1 时输出取反，开关为 0 时输出跟随，正好对应“按下开关翻转、松开恢复”。这个器件的 9 进 8 出结构在原理图上表现为 8 组并行的门电路，每组一个与门、一个或门加若干非门，看起来繁琐但延迟一致，不会出现某几位翻转快、某几位翻转慢导致的颜色撕裂。

颜色选择器用了 8 片 74138，每片负责一位数据。每片 74138 的 A 脚接同一个电平开关，B、C 脚接固定电平，使能端由 ROM 对应位的数据控制。这样当该位为 1 时，译码器让 Y0 或 Y1 之一有效，分别对应红色和绿色两路输出；该位为 0 时两路都不亮。8 片并排，就实现了“同一位数据可以按开关选红或选绿”。

这里有个实际约束：74138 的输出是低有效，而点阵列线经反相器驱动后是逻辑高有效。所以从颜色选择器出来的信号还要再取一次反，或者干脆在点阵接口处统一反相。原文提到列信号经反相器驱动以满足电流驱动能力，这个反相器同时承担了逻辑极性和驱动能力两个职责，接线时不能只当作逻辑门看。

5. 避坑与排查：显示错乱、误触发、闪烁的定位顺序

这块电路在仿真里跑通不难，难的是上板。下面几条是这个项目里最容易出现的问题，每条都给出从现象到定位的路径。

5.1 现象：显示的字和按下的键对不上，或者整屏错位

原因几乎都是 ROM 地址的位序和扫描计数器的位序不一致。如果状态机 A 的 Q3、Q2 去选了列、Q1、Q0 去选了行，那么有效键码就变成另一套编号，原本按教材接法排好的 96 个单元，取出来的块会整体偏移，按“1”显示成“4”这类现象就会出现。

解决分两步。先把 ROM 从 96 个有效单元扩到 128 个，把无效键码对应的 4 个块（每块 8 个单元）全部填 0，让错位时至少是黑屏而不是乱码。再按实际的位序重新排字模块，让键码编号和物理按键一一对应。改完之后最好列一张键码对照表，把“计数值、行号、列号、按键标号、ROM 块起始地址”五列写清楚，贴在手边。

5.2 现象：按一次键，显示跳好几个字符

原因是抖动没有被滤掉，锁存器在几毫秒内被写了多次，而计数器在这期间已经走到了下一格。用示波器看数据选择器输出 Y，能看到按下瞬间有一串密集的负脉冲。

解决是在 Y 之后加两级由扫描节拍同步的采样，连续两次读到低才认。如果板上已经有 RS 触发器整形电路，检查两只交叉耦合门是否共地、上拉电阻是否够小，接触不良的按键也会产生类似波形，换个按键试试能快速区分是电路问题还是器件问题。

5.3 现象：按住一个键不放，再按别的键没反应

这不是故障，是设计语义。计数器被 Y 封锁后不再递增，键码保持不变，其他键的按下动作根本不会被扫描到。如果需求改成“后按的覆盖先按的”，就要把封锁逻辑改成边沿触发的一次性暂停，或者加一个释放检测，在按键全部松开后强制复位计数器。

排查时先确认是“设计如此”还是“卡死”：松开第一个键，看显示是否还能响应新按键。能响应就是语义正确，不能响应就是 Y 没有回到高电平，检查行线上拉电阻和按键接触。

5.4 现象：点阵整体闪烁，或者某一行明显偏暗

闪烁通常是行扫描频率太低。8 行一轮，单行 10ms 对应刷新率 12.5Hz，肉眼很容易察觉。把分频档位往上调一到两档，或者直接改行扫描计数器的时钟源。

某一行偏暗则是那一行的驱动能力不足。检查对应的 ROW 线译码输出是否接错、该行 LED 的限流电阻是否偏大，以及列信号反相器是否在这一行上漏接。8 行里如果只有一行异常，基本可以锁定在译码器输出或连线，不用怀疑 ROM 数据。

5.5 现象：一切换颜色，整屏全灭

颜色选择器里 74138 的使能极性搞反了。74138 的 G1 是高有效、G2A 和 G2B 是低有效，三个使能端要同时满足才工作。如果只接了 G1 而把另外两个悬空，译码器可能一直处于禁止状态，输出全高，经反相后全低，屏幕就黑了。

排查方法很直接：用万用表量 74138 的三个使能脚，确认电平符合数据手册的有效条件，再量 A、B、C 三个地址脚是否跟随开关变化。这一步花不了五分钟，但能省掉半天怀疑 ROM 的时间。

6. 二次开发：加键、换字模、改配色的三条改造路径

这套电路的扩展性比看上去好，因为它把“键码”“字模”“颜色”三件事拆在了三个独立的位置，改哪一件都不用动另外两件。下面按改动量从小到大排一下。

第一条路是换字模，改动量最小，收益最直接。把 12 个符号换成箭头、字母、简单图标都行，只要还是 8×8。手工填 mif 容易出错，我一般用脚本生成：

# 把 8×8 点阵字模写成 Quartus 的 .mif，键码即块号 GLYPHS = { 0x0: [0x3C, 0x66, 0x6E, 0x76, 0x66, 0x66, 0x3C, 0x00], # 数字 0 0x1: [0x18, 0x38, 0x18, 0x18, 0x18, 0x18, 0x7E, 0x00], # 数字 1 # 其余 10 个键码照此补齐，无效键码块留空 } LINES = ["DEPTH = 128;", "WIDTH = 8;", "ADDRESS_RADIX = HEX;", "DATA_RADIX = HEX;", "CONTENT BEGIN"] for code in range(16): # 16 个键码块，无效块填 0 rows = GLYPHS.get(code, [0x00] * 8) for r, byte in enumerate(rows): # 低 3 位地址对应行号 LINES.append(f" {code * 8 + r:02X} : {byte:02X};") LINES.append("END;") with open("font_8x8.mif", "w", encoding="utf-8") as f: f.write("\n".join(LINES))

脚本的关键是code * 8 + r这个地址计算：高 4 位是键码、低 3 位是行号，所以第 code 个字符的第 r 行落在code*8+r。GLYPHS.get(code, [0x00]*8)保证没有定义的键码块自动填 0，不会因为漏写而让综合工具填入随机值。生成之后在 Quartus 里重新编译 ROM，注意 mif 文件路径要用相对路径，换机器打开工程时最容易在这里报错。

第二条路是加键，从 12 键扩到 16 键（4 行 4 列）。要动的地方有三处：74153 的第 4 路输入不能再接高电平，要接到第 4 根行线；ROM 从 128×8 扩到 256×8，地址加到 8 位；无效键码块从 4 个变成 0 个，字模表刚好填满。如果继续扩到 5 行以上，4 位计数器就不够用了，得换 5 位或者改用二进制以外的编码方式。加键之后记得重算扫描周期：16 键 × 1ms = 16ms，仍然远小于人手按键时间，不用调节拍。

第三条路是改显示效果，比如让字符滚动或者做多字符切换。滚动不需要改 ROM，只需要在行扫描计数器之外再加一个帧计数器，每过若干帧把 ROM 的高 4 位地址整体加一，取下一个字符的块。这里要注意帧计数器的进位不能影响行扫描的连续性，否则滚动的时候会撕裂。我的做法是让帧计数器只在行扫描归零的那一刻递增，保证每次切换都发生在帧边界上。

上板验证的顺序也有讲究，别一上来就按键盘。先断开按键部分，只给显示链路上电，用固定键码强制 ROM 输出某个字符，确认 8 行扫描正常、字形正确、没有镜像；再接上按键，用单步时钟一格一格走，看锁存是不是发生在正确的计数值上；最后才测多键同时按下和颜色切换。这个顺序能把问题限制在一条链路里，省掉“到底是扫描错了还是显示错了”的反复怀疑。

说个我自己踩过的坑：有一次改完字模，显示一直整体下移一行，查了两个小时 ROM 数据，最后发现是 mif 文件里第一行的地址写成了01而不是00，整个块往后错了一位。从那以后我每次生成 mif 都强制走一遍脚本，不再手工改任何一个字节，生成完先打印前 16 行地址和数据对一遍再编译。希望帮到你。

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