正点原子FPGA连载第九章按键控制LED灯实验 -摘自正点原子新起点之FPGA开发指南_V2.1

Posted 2021-11-11 正点原子

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第九章按键控制LED灯实验

按键是常用的一种控制器件。生活中我们可以见到各种形式的按键，由于其结构简单，成本低廉等特点，在家电、数码产品、玩具等方面有广泛的应用。本章我们将介绍如何使用按键控制多个LED的亮灭。
本章包括以下几个部分

99.1简介
9.2实验任务
9.3硬件设计
9.4程序设计
9.5下载验证

9.1简介
按键开关是一种电子开关，属于电子元器件类。我们的开发板上有两种按键开关：第一种是本实验所使用的轻触式按键开关（如图 9.1.1），简称轻触开关。使用时以向开关的操作方向施加压力使内部电路闭合接通，当撤销压力时开关断开，其内部结构是靠金属弹片受力后发生形变来实现通断的；第二种是自锁按键（如图 9.1.2），自锁按键第一次按下后保持接通，即自锁，第二次按下后，开关断开，同时开关按钮弹出来，开发板上的电源键就是这种开关。

图 9.1.1 轻触式按键

图 9.1.2 自锁式按键
9.2实验任务
使用新起点开发板上的四个按键控制四个LED灯。不同按键按下时，四个LED灯显示不同效果。
9.3硬件设计
如图 9.3.1所示，本实验使用四个按键开关控制四个LED灯。

图 9.3.1 按键电路原理图
如上图所示，开发板上的5个按键未按下时，输出高电平，按下后，输出低电平。
本实验中，系统时钟、复位按键、按键和LED灯的管脚如下表所示。
表 9.3.1 触摸按键控制LED管脚分配图

对应的TCL约束文件如下：
set_location_assignment PIN_M2 -to sys_clk
set_location_assignment PIN_M1 -to sys_rst_n
set_location_assignment PIN_E16 -to key[0]
set_location_assignment PIN_E15 -to key[1]
set_location_assignment PIN_M15 -to key[2]
set_location_assignment PIN_M16 -to key[3]
set_location_assignment PIN_D11 -to led[0]
set_location_assignment PIN_C11 -to led[1]
set_location_assignment PIN_E10 -to led[2]
set_location_assignment PIN_F9 -to led[3]
9.4程序设计
我们程序设计最终实现的效果为：无按键按下时，LED灯全灭；按键1按下时，LED灯显示自右向左的流水效果；按键2按下时，LED灯显示自左向右的流水效果；按键3按下时，四个LED灯同时闪烁；按键4按下时，LED灯全亮。
LED在流水效果和闪烁效果在时间间隔均为0.2秒，因此需要在程序中定义一个0.2s的计数器，即每隔0.2s，状态计数器加一。根据当前按键的状态选择不同的显示模式，不同的显示模式下四个led灯的亮灭随状态计数器的值改变，从而呈现出不同的显示效果。

图 9.4.1 系统框图
按键控制led模块的代码如下所示：

1   module key_led(
2       input               sys_clk  ,    //50Mhz系统时钟
3       input               sys_rst_n,    //系统复位，低有效
4       input        [3:0]  key,          //按键输入信号
5       output  reg  [3:0]  led           //LED输出信号
6       );
7   
8   //reg define     
9   reg  [23:0] cnt;
10  reg  [1:0]  led_control;
11  
12  //用于计数0.2s的计数器
13  always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
14      if(!sys_rst_n)
15          cnt<=24'd9_999_999;
16      else if(cnt<24'd9_999_999)
17          cnt<=cnt+1;
18      else
19          cnt<=0;
20  end 
21  
22  //用于led灯状态的选择
23  always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
24      if (!sys_rst_n)
25          led_control <= 2'b00;
26      else if(cnt == 24'd9_999_999) 
27          led_control <= led_control + 1'b1;
28      else
29          led_control <= led_control;
30  end
31  
32  //识别按键，切换显示模式
33  always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
34      if(!sys_rst_n) begin
35          led<=4'b 0000;
36      end
37      else if(key[0]== 0)  //按键1按下时，从右向左的流水灯效果
38          case (led_control)
39              2'b00   : led<=4'b1000;
40              2'b01   : led<=4'b0100;
41              2'b10   : led<=4'b0010;
42              2'b11   : led<=4'b0001;
43              default  : led<=4'b0000;
44          endcase
45      else if (key[1]==0)  //按键2按下时，从左向右的流水灯效果
46          case (led_control)
47              2'b00   : led<=4'b0001;
48              2'b01   : led<=4'b0010;
49              2'b10   : led<=4'b0100;
50              2'b11   : led<=4'b1000;
51              default  : led<=4'b0000;
52          endcase
53      else if (key[2]==0)  //按键3按下时，LED闪烁
54          case (led_control)
55              2'b00   : led<=4'b1111;
56              2'b01   : led<=4'b0000;
57              2'b10   : led<=4'b1111;
58              2'b11   : led<=4'b0000;
59              default  : led<=4'b0000;
60          endcase
61      else if (key[3]==0)  //按键4按下时，LED全亮
62          led=4'b1111;
63      else
64          led<=4'b0000;    //无按键按下时，LED熄灭     
65  end
66  
67  endmodule 

代码主要分为三个部分，第12至20行对系统时钟计数，当计数时间达0.2s时，计数器清零，同时使led_control在四个状态（00,01,10,11）内依次变化。第33至65行利用case语句实现对按键状态的检测，当不同的按键按下时，led随着led_control的变化，被赋予不同的值。
大家可以发现，本次实验和流水灯实验计数时间都是0.2s，本次实验的计数器最大可以计数到9_999_999，而流水灯实验中计数器的值最大可以计数到10_000_000。事实上，这两个实验计数器都是从0开始计数的，本次实验从0计数到9_999_999，需要10_000_000个时钟周期，而系统时钟为20ns，所以计数的时间为0.2s，而流水灯实验从0计数到10_000_000需要10_000_001个时钟周期，因此其计数时间实际上比0.2s要多出20ns。
为了验证我们的程序，我们在modelsim内对代码进行仿真。
Testbench模块代码如下：

1   `timescale 1 ns/ 1 ns
2   module tb_key_led();
3   
4   parameter T = 20;
5   
6   reg  [3:0]  key      ;
7   reg         sys_clk  ;
8   reg         sys_rst_n;
9   
10  wire [3:0]  led;
11  
12  initial begin   
13      key                <=4'b1111;//按键初始状态为全断开
14      sys_clk            <=1'b0;   //初始时钟为低电平
15      sys_rst_n          <=1'b0;   //复位信号初始为低电平
16  #T   sys_rst_n          <=1'b1;   //一个时钟周期后复位信号拉高
17  
18  #600_000_020 key[0]     <=0;      //0.6s时按下按键1
19  #800_000_000 key[0]     <=1;    
20  key[1]                  <=0;      //0.8s后松开按键1，按下按键2
21  #800_000_000 key[1]     <=1;   
22  key[2]                  <=0;      //0.8s后松开按键2，按下按键3
23  #800_000_000 key[2]     <=1;   
24  key[3]                  <=0;      //0.8s后松开按键3，按下按键4    
25  #800_000_000 key[3]     <=1;      //0.8s后松开按键4
26  
27  end 
28  
29  always # (T/2) sys_clk <= ~sys_clk;
30  key_led   u_key_led(
31      .sys_clk(sys_clk),       
32      .sys_rst_n(sys_rst_n),     
33      .key(key),                  
34      .led(led)          
35      );
36  
37  endmodule

图 9.4.2 仿真图像
观察代码，结合波形分析可知。14至16行代码为对时钟信号、复位信号、按键信号赋初始值，默认为按键全断开。第0.6s时按下按键key0（kye[0]由高电平变为低电平），可观察到led3至led0依次点亮，呈现自右向左的流水效果；按键key1断开的同时按下按键key2，可观察到led0至led3依次点亮，呈现自左向右的流水效果；按键key2断开的同时按下按键key3s，可观察到led0至led3呈现闪烁效果；按键key3断开的同时按下按键key4，可观察到led0至led3保持全亮。
9.5下载验证
首先我们打开按键控制LED工程，在工程所在的路径下打开key_led/par文件夹，在里面找到“key_led.qpf”并双击打开。注意工程所在的路径名只能由字母、数字以及下划线组成，不能出现中文、空格以及特殊字符等。key_led工程打开后如图 9.5.1所示。

图 9.5.1 打开工程
工程打开后通过点击工具栏中的“Programmer”图标(图中红框位置)打开下载界面。
下载界面如图 9.5.2所示，查看图中是否已经加载下载文件（sof文件）。如果没有，则需要通过点击“Add File”按钮添加流水灯工程中key_led/par/output_files目录下的“key_led.sof”文件。

图 9.5.2 下载界面
如下图 9.5.3所示。将下载器一端连接电脑，另一端与开发板上的JTAG下载口相连接，如下图所示。然后连接电源线并打开电源开关。

图 9.5.3 开发板按键
开发板电源打开后，在程序下载界面点击“Hardware Setup”，在弹出的对话框中选择当前的硬件连接为“USB-Blaster”。然后点击“Start”将工程编译完成后得到的sof文件下载到开发板中。
下载完成后，就可以利用按键来控制LED了，如图 9.5.3所示。