《ATK-DFPGL22G之FPGA开发指南_V1.0》第九章 按键控制LED灯实验
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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来控制LED闪烁的方式。
本章包括以下几个部分：
9.1按键简介
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 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
本节实验任务是使用ATK-DFPGL22G开发板上的KEY1~KEY3按键来控制开发板上的LED0~ LED3四个LED的闪烁方式。没有按键按下时，四个LED全部熄灭；如果按键0按下，则四个LED从右向左呈现流水灯效果；如果按键1按下，则四个LED从左向右呈现流水灯效果；如果按键2按下，则四个LED同时闪烁；如果按键3按下，则四个LED保持全亮。
9.3硬件设计
开发板上按键的原理图如下图所示：
图 9.3.1 按键电路原理图
如图 9.3.1所示，开发板上的四个按键未按下时，输出高电平，按下后，输出低电平。
本实验的管脚分配如下表所示：
表 9.3.1 按键控制LED实验管脚分配
对应的FDC约束语句如下所示：
create_clock -name {clk} -period {20} -waveform {0.000 10.000}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_DIRECTION} {OUTPUT}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_LOC} {G1}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_VCCIO} {1.5}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_DRIVE} {4}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_SLEW} {SLOW}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_DIRECTION} {OUTPUT}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_LOC} {J7}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_VCCIO} {1.5}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_DRIVE} {4}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_SLEW} {SLOW}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_DIRECTION} {OUTPUT}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_LOC} {J6}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_VCCIO} {1.5}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_DRIVE} {4}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_SLEW} {SLOW}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_DIRECTION} {OUTPUT}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_LOC} {F3}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_VCCIO} {1.5}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_DRIVE} {4}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_SLEW} {SLOW}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_DIRECTION} {INPUT}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_LOC} {G3}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_VCCIO} {1.5}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_DIRECTION} {INPUT}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_LOC} {H6}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_VCCIO} {1.5}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_DIRECTION} {INPUT}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_LOC} {H5}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_VCCIO} {1.5}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_DIRECTION} {INPUT}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_LOC} {F2}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_VCCIO} {1.5}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
define_attribute {p:key} {PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
define_attribute {p:sys_clk} {PAP_IO_DIRECTION} {INPUT}
define_attribute {p:sys_clk} {PAP_IO_LOC} {B5}
define_attribute {p:sys_clk} {PAP_IO_VCCIO} {3.3}
define_attribute {p:sys_clk} {PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS33}
define_attribute {p:sys_clk} {PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
define_attribute {p:sys_rst_n} {PAP_IO_DIRECTION} {INPUT}
define_attribute {p:sys_rst_n} {PAP_IO_LOC} {G5}
define_attribute {p:sys_rst_n} {PAP_IO_VCCIO} {1.5}
define_attribute {p:sys_rst_n} {PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
define_attribute {p:sys_rst_n} {PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
9.4程序设计
按键控制LED系统框图如下图所示：
图 9.4.1 按键控制LED系统框图
在图 9.4.1中，计数器对50MHz时钟进行计数，从而达到计时的目的。计数器在每次计时到0.2秒的时候，就改变LED的显示状态，然后清零并重新开始计数。
根据四个按键（KEY0~KEY3）的状态，分别设置LED的显示模式（是流水灯，或是同时闪烁，或是同时常亮）。
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1按下时，从右向左的流水灯效果
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2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3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13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。
9.5下载验证
连接开发板的电源和下载器，并打开电源开关。在工程编译之后，将生成的sbit文件下载到开发板中。下载完成之后，开发板上四个LED处于熄灭状态。然后按下KEY1，可以看到四个LED从右向左呈现流水灯效果；按下KEY2，可以看到四个LED同时闪烁盘；按下KEY3，可以看到四个LED保持长亮，如下图所示：
图 9.5.1 实验现象
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