【正点原子FPGA连载】第八章 按键控制LED灯实验--摘自【正点原子】开拓者 FPGA 开发指南
本帖最后由 正点原子 于 2020-10-23 11:04 编辑1）实验平台：正点原子开拓者FPGA开发板2）平台购买地址：https://item.taobao.com/item.htm?id=5797492098203）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-281143-1-1.html4）本实例源码下载：5）对正点原子FPGA感兴趣的同学可以加群讨论：712557122 6）关注正点原子公众号，获取最新资料更新：
第八章 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：1 1.1 按键简介1.2 实验任务1.3 硬件设计1.4 程序设计1.5 下载验证
1.1 按键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 8.1.1），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 8.1.2），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 8.1.1 轻触式按键
图 8.1.2 自锁式按键1.2 实验任务使用开拓者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。1.3 硬件设计如图 8.3.1所示，本实验使用四个按键开关控制四个LED灯。
图 8.3.1 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 8.3.1 触摸按键控制LED管脚分配图
信号名方向管脚端口说明
sys_clkinputE1系统时钟，50M
sys_rst_ninputM1系统复位，低有效
keyinputE16按键
keyinputE15按键
keyinputM2按键
keyinputM16按键
ledoutputD11LED
ledoutputC11LED
ledoutputE10LED
ledoutputF9LED
1.4 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 8.4.1 系统框图按键控制led模块的代码如下所示：1modulekey_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 outputreg[3:0]led //LED输出信号6 );78//reg define 9reg[23:0] cnt;10 reg[1:0] led_control;1112 //用于计数0.2s的计数器13 always @ (posedge sys_clk or negedgesys_rst_n) begin14 if(!sys_rst_n)15 cnt<=24'd 9_999_999;16 elseif(cnt<24'd 9_999_999)17 cnt<=cnt+1;18 else19 cnt<=0;20 end2122 //用于led灯状态的选择23 always @(posedge sys_clk ornegedge sys_rst_n) begin24 if (!sys_rst_n)25 led_control <= 2'b00;26 elseif(cnt == 24'd9_999_999)27 led_control <= led_control + 1'b1;28 else29 led_control <= led_control;30 end3132 //识别按键，切换显示模式33 always @(posedge sys_clk ornegedge sys_rst_n) begin34 if(!sys_rst_n) begin35 led<=4'b 0000;36 end37 elseif(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 endcase45 elseif (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 endcase53 elseif (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 endcase61 elseif (key[3]==0)//按键4按下时，LED全亮62 led=4'b1111;63 else64 led<=4'b0000; //无按键按下时，LED熄灭 65 end6667 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`timescale1 ns/1 ns2moduletb_key_led();34parameterT = 20;56reg[3:0]key ;7reg sys_clk;8reg sys_rst_n;9reg key_value;1011 wire [3:0]led;1213 initial begin 14 key <=4'b1111;//按键初始状态为全断开15 sys_clk <=1'b0; //初始时钟为低电平16 sys_rst_n <=1'b0; //复位信号初始为低电平17 #Tsys_rst_n <=1'b1; //一个时钟周期后复位信号拉高1819 #600_000_020key[0] <=0; //0.6s时按下按键120 #800_000_000key[0] <=1; 21key[1] <=0; //0.8s后松开按键1，按下按键222 #800_000_000key[1] <=1; 23key[2] <=0; //0.8s后松开按键2，按下按键324 #800_000_000key[2] <=1; 25key[3] <=0; //0.8s后松开按键3，按下按键4 26 #800_000_000key[3] <=1; //0.8s后松开按键42728 end2930 always # (T/2) sys_clk <= ~sys_clk;31key_led u_key_led(32 .sys_clk(sys_clk), 33 .sys_rst_n(sys_rst_n), 34 .key(key), 35 .led(led) 36 );3738 endmodule
图 8.4.2 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。1.5 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 8.5.1所示。
图 8.5.1 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 8.5.2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 8.5.2 下载界面如下图 8.5.3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 8.5.3 开发板实物图开发板电源打开后，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 8.5.3所示。
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