【正点原子FPGA连载】第九章按键控制LED灯实验
本帖最后由 正点原子 于 2021-1-25 18:37 编辑1）实验平台：正点原子达芬奇FPGA开发板
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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
使用达芬奇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4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 按键控制LED管脚分配图
对应的XDC约束语句如下：
set_property -dict {PACKAGE_PIN R4 IOSTANDARD LVCMOS33}
set_property -dict {PACKAGE_PIN U2 IOSTANDARD LVCMOS33}
set_property -dict {PACKAGE_PIN R2 IOSTANDARD LVCMOS33} ]
set_property -dict {PACKAGE_PIN R3 IOSTANDARD LVCMOS33} ]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V2 IOSTANDARD LVCMOS33} ]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y2 IOSTANDARD LVCMOS33} ]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T1 IOSTANDARD LVCMOS33} ]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U1 IOSTANDARD LVCMOS33} ]
set_property -dict {PACKAGE_PIN W2 IOSTANDARD LVCMOS33} ]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T3 IOSTANDARD LVCMOS33} ]
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：
1module 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 key, //按键输入信号
5 outputregled //LED输出信号
6 );
7
8//reg define
9reg cnt;
10 regled_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'd0;
16 else if(cnt < 24'd9_999_999)
17 //else if(cnt < 24'd9) //仅用于仿真
18 cnt<= cnt + 1;
19 else
20 cnt<= 0;
21 end
22
23 //用于led灯状态的选择
24 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
25 if (!sys_rst_n)
26 led_control <= 2'b00;
27 else if(cnt == 24'd9_999_999)
28 //else if(cnt == 24'd9) //仅用于仿真
29 led_control <= led_control + 1'b1;
30 else
31 led_control <= led_control;
32 end
33
34 //识别按键，切换显示模式
35 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
36 if(!sys_rst_n) begin
37 led <= 4'b0000;
38 end
39 else if(key== 0)//按键1按下时，从右向左的流水灯效果
40 case (led_control)
41 2'b00 : led <= 4'b1000;
42 2'b01 : led <= 4'b0100;
43 2'b10 : led <= 4'b0010;
44 2'b11 : led <= 4'b0001;
45 default: led <= 4'b0000;
46 endcase
47 else if (key==0)//按键2按下时，从左向右的流水灯效果
48 case (led_control)
49 2'b00 : led <= 4'b0001;
50 2'b01 : led <= 4'b0010;
51 2'b10 : led <= 4'b0100;
52 2'b11 : led <= 4'b1000;
53 default: led <= 4'b0000;
54 endcase
55 else if (key==0)//按键3按下时，LED闪烁
56 case (led_control)
57 2'b00 : led <= 4'b1111;
58 2'b01 : led <= 4'b0000;
59 2'b10 : led <= 4'b1111;
60 2'b11 : led <= 4'b0000;
61 default: led <= 4'b0000;
62 endcase
63 else if (key==0)//按键4按下时，LED全亮
64 led = 4'b1111;
65 else
66 led <= 4'b0000; //无按键按下时，LED熄灭
67 end
68
69 endmodule
代码主要分为三个部分，第12至21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34至67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。仿真时我们设为每10个时钟周期，进行一次状态转换一次，如代码第17和28行。
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，我们使用Vivado对代码进行仿真。
Testbench模块代码如下：
1`timescale 1 ns/ 1 ns
2module tb_key_led();
3
4parameter T = 20;
5
6regkey ;
7reg sys_clk;
8reg sys_rst_n;
9
10 wire 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 key <=0; //0.6s时按下按键1
19 #800 key <=1;
20 key <=0; //0.8s后松开按键1，按下按键2
21 #800 key <=1;
22 key <=0; //0.8s后松开按键2，按下按键3
23 #800 key <=1;
24 key <=0; //0.8s后松开按键3，按下按键4
25 #800 key <=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。13至18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。在第一个周期按下按键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key0断开的同时按下按键key1，可观察到led0至led3依次点亮，呈现自左向右的流水效果；按键key1断开的同时按下按键key2，可观察到led0至led3呈现闪烁效果；按键key2断开的同时按下按键key3，可观察到led0至led3保持全亮。
9.5下载验证
编译工程并生成比特流.bit文件后，接下来我们下载比特流.bit文件，验证按键控制LED灯的功能。程序下载完成后，我们按KEY0、KEY1、KEY2和KEY3，就可以看到按键对应的实验现象了。如下图所示：
图 9.5.1 实验现象
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