《新起点V2之FPGA开发指南》第九章 按键控制LED灯实验
本帖最后由 正点原子 于 2021-10-30 10:23 编辑1）实验平台：正点原子新起点V2FPGA开发板
2)章节摘自【正点原子】《新起点之FPGA开发指南 V2.1》
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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
11.1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
1.2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。
1.3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
set_location_assignment PIN_E15 -to key
set_location_assignment PIN_M15 -to key
set_location_assignment PIN_M16 -to key
set_location_assignment PIN_D11 -to led
set_location_assignment PIN_C11 -to led
set_location_assignment PIN_E10 -to led
set_location_assignment PIN_F9 -to led1.4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 key, //按键输入信号
5 outputregled //LED输出信号
6 );
7
8 //reg define
9 reg cnt;
10regled_control;
11
12//用于计数0.2s的计数器
13always @ (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;
20end
21
22//用于led灯状态的选择
23always @(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;
30end
31
32//识别按键，切换显示模式
33always @(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)//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==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==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==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
65end
66
67endmodule
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 regkey ;
7 reg sys_clk;
8 reg sys_rst_n;
9
10wire led;
11
12initial 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; //0.6s时按下按键1
19#800_000_000 key <=1;
20key <=0; //0.8s后松开按键1，按下按键2
21#800_000_000 key <=1;
22key <=0; //0.8s后松开按键2，按下按键3
23#800_000_000 key <=1;
24key <=0; //0.8s后松开按键3，按下按键4
25#800_000_000 key <=1; //0.8s后松开按键4
26
27end
28
29always # (T/2) sys_clk <= ~sys_clk;
30key_led u_key_led(
31 .sys_clk(sys_clk),
32 .sys_rst_n(sys_rst_n),
33 .key(key),
34 .led(led)
35 );
36
37endmodule
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 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。
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