1）实验平台：正点原子超越者FPGA开发板
2) 章节摘自【正点原子】超越者之FPGA开发指南
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第十章按键控制蜂鸣器实验
蜂鸣器（Buzzer）是现代常用的一种电子发声器，主要用于产生声音信号。蜂鸣器在生活中已经得到广泛使用，其典型应用包括医疗，消防等领域的各种报警装置以及日常生活中的各种警报器等。本章我们主要学习如何使用按键来控制蜂鸣器发声。
本章包括以下几个部分：
1010.1 简介
10.2 实验任务
10.3 硬件设计
10.4 程序设计
10.5 下载验证
10.1简介
蜂鸣器按照驱动方式主要分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，其主要区别为蜂鸣器内部是否含有震荡源。一般的有源蜂鸣器内部自带了震荡源，只要通电就会发声。而无源蜂鸣器由于不含内部震荡源，需要外接震荡信号才能发声。
图 10.1.1 左边为有源蜂鸣器 右边为无源蜂鸣器
图 10.1.2 本次实验使用的有源蜂鸣器
如图 10.1.1所示，从外观上看，两种蜂鸣器很相似，如将两种蜂鸣器的引脚都朝上放置，可以看出有绿色电路板的一种是无源蜂鸣器，没有电路板而用黑胶封闭的一种是有源蜂鸣器。
相较于有源蜂鸣器，无源蜂鸣器成本更低，且发声频率可控。而有源蜂鸣器控制相对简单，由于内部自带震荡源，只要加上合适的直流电压即可发声。本次实验使用的蜂鸣器为图 10.1.2中的有源蜂鸣器。
10.2实验任务
本节实验任务是使用按键控制蜂鸣器发声。初始状态为蜂鸣器鸣叫，按下开关后蜂鸣器停止鸣叫，再次按下开关，蜂鸣器重新鸣叫。
10.3硬件设计
图 10.3.1 蜂鸣器控制电路原理图
本实验的管脚分配如下表所示：
图 10.3.2 按键控制蜂鸣器管脚分配图
对应的 UCF 约束语句如下：
- # PlanAhead Generated physical constraints
- NET "sys_clk" LOC = N8 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
- NET "sys_rst_n" LOC = G16 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
- NET "key" LOC = P5 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
- NET "beep" LOC = P4 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
10.4程序设计
由实验任务可知，我们只需要在按键按下时改变蜂鸣器的鸣叫状态，但实际上在按键按下的过程中存在按键抖动的干扰，体现在数字电路中就是不断变化的高低电平，为避免在抖动过程中采集到错误的按键状态，我们需要对按键数据进行消除抖动处理。因此本系统应至少包含按键消抖模块和蜂鸣器控制模块，按键控制蜂鸣器系统框图如图 10.4.1所示。
图 10.4.1 按键控制蜂鸣器系统框图
这里我们补充下如何查看软件生成的模块端口及信号连接图。首先在对工程进行编译，然后双击【Synthesize - XST】下的【View RTL Schematic】，选择第二个选项【Start with a schematic of the top-level block】，点击OK，如图 10.4.2所示：
图 10.4.2 打开端口及信号连接图
稍后就可以看到软件生成的模块端口及顶层信号连接图了，双击顶层信号连接图，即可看到各个模块之间的信号连接图，如图 10.4.3所示：
图 10.4.3 端口及信号连接图
需要注意的是，必须已经执行过综合或编译之后，才能打开模块端口及信号连接图。打开之后，按下键盘的【Ctrl】键，滚动鼠标的滚轮可以对生成的连接图进行放大和缩小，就可以比较清晰地查看各个模块端口信号的连接。
由图 10.4.3的连接图可知，顶层模块例化了以下两个模块：按键消抖模块（key_debounce）和蜂鸣器控制模块（beep_control）。顶层模块（top_key_beep）完成了对另外两个模块的例化。按键消抖模块主要起到延时采样，防止按键抖动的干扰。蜂鸣器控制模块通过对按键信号的识别，起到控制蜂鸣器鸣叫的作用。
按键消抖模块（key_debounce）：对按键信号延时采样，将消抖后的按键信号和按键数据有效信号输出至beep_control模块。
蜂鸣器控制模块（beep_control）：根据输入的按键信号和按键数据有效信号，来控制蜂鸣器的鸣叫。
在这里我们介绍一下按键消抖的原理。通常我们所使用的开关为机械弹性开关，当我们按下或松开按键时，由于弹片的物理特性，不能立即闭合或断开，往往会在断开或闭合的短时间内产生机械抖动，消除这种抖动的过程即称为按键消抖。
按键消抖可分为硬件消抖和软件消抖。硬件消抖主要使用RS触发器或电容等方法实现消抖，一般在按键较少时使用。软件消抖的原理主要为按键按下或松开后延时5ms—20ms采样，也可以在检测到按键状态稳定后采样，即避开抖动区域后再采样，如图 10.4.4所示。
图 10.4.4 按键消抖原理图
顶层模块代码如下：
- 1 module top_key_beep(
- 2 input sys_clk， //时钟信号50Mhz
- 3 input sys_rst_n， //复位信号
- 4
- 5 input key， //按键信号
- 6 output beep //蜂鸣器控制信号
- 7 );
- 8
- 9 //wire define
- 10 wire key_value;
- 11 wire key_flag;
- 12
- 13 //*****************************************************
- 14 //** main code
- 15 //*****************************************************
- 16
- 17 //例化按键消抖模块
- 18 key_debounce u_key_debounce(
- 19 .sys_clk (sys_clk)，
- 20 .sys_rst_n (sys_rst_n)，
- 21
- 22 .key (key)，
- 23 .key_flag (key_flag)，
- 24 .key_value (key_value)
- 25 );
- 26
- 27 //例化蜂鸣器控制模块
- 28 beep_control u_beep_control(
- 29 .sys_clk (sys_clk)，
- 30 .sys_rst_n (sys_rst_n)，
- 31
- 32 .key_flag (key_flag)，
- 33 .key_value (key_value)，
- 34 .beep (beep)
- 35 );
- 36
- 37 endmodule
在顶层模块中例化了按键消抖模块和按键控制蜂鸣器模块。
按键消抖模块代码如下：
- 1 module key_debounce(
- 2 input sys_clk， //外部50M时钟
- 3 input sys_rst_n， //外部复位信号，低有效
- 4
- 5 input key， //外部按键输入
- 6 output reg key_flag， //按键数据有效信号
- 7 output reg key_value //按键消抖后的数据
- 8 );
- 9
- 10 //reg define
- 11 reg [31:0] delay_cnt;
- 12 reg key_reg;
- 13
- 14 //*****************************************************
- 15 //** main code
- 16 //*****************************************************
- 17 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
- 18 if (!sys_rst_n) begin
- 19 key_reg <= 1'b1;
- 20 delay_cnt <= 32'd0;
- 21 end
- 22 else begin
- 23 key_reg <= key;
- 24 if(key_reg != key) //一旦检测到按键状态发生变化(有按键被按下或释放)
- 25 delay_cnt <= 32'd1000000; //给延时计数器重新装载初始值（计数时间为20ms）
- 26 else if(key_reg == key) begin //在按键状态稳定时，计数器递减，开始20ms倒计时
- 27 if(delay_cnt > 32'd0)
- 28 delay_cnt <= delay_cnt - 1'b1;
- 29 else
- 30 delay_cnt <= delay_cnt;
- 31 end
- 32 end
- 33 end
- 34
- 35 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
- 36 if (!sys_rst_n) begin
- 37 key_flag <= 1'b0;
- 38 key_value <= 1'b1;
- 39 end
- 40 else begin
- 41 if(delay_cnt == 32'd1) begin //当计数器递减到1时，说明按键稳定状态维持了20ms
- 42 key_flag <= 1'b1; //此时消抖过程结束，给出一个时钟周期的标志信号
- 43 key_value <= key; //并寄存此时按键的值
- 44 end
- 45 else begin
- 46 key_flag <= 1'b0;
- 47 key_value <= key_value;
- 48 end
- 49 end
- 50 end
- 51
- 52 endmodule
程序中第25行不断检测按键状态，一旦发现按键状态发生改变，就给计数器delay_cnt赋初值1000000。在按键状态不发生改变时，delay_cnt递减从而实现倒计时的功能，在倒计时过程中，一旦检测到按键状态发生改变，则说明有抖动产生，此时重新给delay_cnt赋初值，并开始新一轮倒计时。在50Mhz时钟驱动下，delay_cnt若能由1000000递减至1，则说明按键状态保持稳定时间达20ms，此时输出一个时钟周期的通知信号key_flag，并将此时的按键数据寄存输出。
蜂鸣器控制模块的代码如下：
- 1 module beep_control(
- 2 //input
- 3 input sys_clk， //系统时钟
- 4 input sys_rst_n， //复位信号，低电平有效
- 5 input key_flag， //按键有效信号
- 6 input key_value， //按键信号
- 7 //output
- 8 output reg beep //蜂鸣器控制信号
- 9 );
- 10 //*****************************************************
- 11 //** main code
- 12 //*****************************************************
- 13 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
- 14 begin
- 15 if(!sys_rst_n)
- 16 beep <= 1'b1;
- 17 else if(key_flag && (~key_value)) //判断按键是否有效按下
- 18 beep <= ~beep;
- 19 end
- 20 endmodule
beep初始状态为高电平，蜂鸣器鸣叫，当检测到按键有效信号key_flag为高电平，同时按键信号key_value为低电平时说明按键被有效按下，此时beep取反，蜂鸣器停止鸣叫。当按键再次按下时，beep再次取反，蜂鸣器重新开始鸣叫。
为了验证我们的程序，我们在modelsim内对代码进行仿真。
Test bench模块代码如下
- 1 `timescale 1 ns/ 1 ns
- 2 module tb_top_key_beep();
- 3
- 4 //parameter define
- 5 parameter T = 20;
- 6
- 7 //reg define
- 8 reg key;
- 9 reg sys_clk;
- 10 reg sys_rst_n;
- 11 reg key_value;
- 12
- 13 // wire define
- 14 wire beep;
- 15
- 16 //*****************************************************
- 17 //** main code
- 18 //*****************************************************
- 19
- 20 //给信号初始值
- 21 initial begin
- 22 key <= 1'b1;
- 23 sys_clk <= 1'b0;
- 24 sys_rst_n <= 1'b0;
- 25 #20 sys_rst_n <= 1'b1; //在第20ns的时候复位信号信号拉高
- 26 #30 key <= 1'b0; //在第50ns的时候按下按键
- 27 #20 key <= 1'b1; //模拟抖动
- 28 #20 key <= 1'b0; //模拟抖动
- 29 #20 key <= 1'b1; //模拟抖动
- 30 #20 key <= 1'b0; //模拟抖动
- 31 #170 key <= 1'b1; //在第300ns的时候松开按键
- 32 #20 key <= 1'b0; //模拟抖动
- 33 #20 key <= 1'b1; //模拟抖动
- 34 #20 key <= 1'b0; //模拟抖动
- 35 #20 key <= 1'b1; //模拟抖动
- 36 #170 key <= 1'b0; //在第550ns的时候再次按下按键
- 37 #20 key <= 1'b1; //模拟抖动
- 38 #20 key <= 1'b0; //模拟抖动
- 39 #20 key <= 1'b1; //模拟抖动
- 40 #20 key <= 1'b0; //模拟抖动
- 41 #170 key <= 1'b1; //在第800ns的时候松开按键
- 42 #20 key <= 1'b0; //模拟抖动
- 43 #20 key <= 1'b1; //模拟抖动
- 44 #20 key <= 1'b0; //模拟抖动
- 45 #20 key <= 1'b1; //模拟抖动
- 46 end
- 47
- 48 //50Mhz的时钟，周期则为1/50Mhz=20ns，所以每10ns，电平取反一次
- 49 always # (T/2) sys_clk <= ~sys_clk;
- 50
- 51 //例化key_beep模块
- 52 top_key_beep u1 (
- 53 .beep (beep)，
- 54 .key (key)，
- 55 .sys_clk (sys_clk)，
- 56 .sys_rst_n (sys_rst_n)
- 57 );
- 58
- 59 endmodule
仿真波形图如下：
图 10.4.5 仿真波形图
测试代码中，为了方便仿真波形的查看，将按键消抖模块中的延时采样的延时时间改为四个时钟周期（将按键消抖模块中的第25行代码 delay_cnt <= 32'd1000000; 改为delay_cnt <= 32'd4;）。tb_key_beep模块中第22行到第45行为信号的激励。从图 10.4.5可以看到，第50ns时，将key拉低，并在50至130ns时模拟按键抖动，可见在按键抖动停止后的第4个时钟周期时，key_flag出现一个时钟周期的高电平，同时beep被拉低（蜂鸣器停止鸣叫）；在第300ns时松开按键，随后模拟按键抖动，同理可知在抖动结束后的第四个时钟周期，key_flag信号被拉高。读者可以仔细观察仿真波形结合代码深入理解，仔细体会key_flag信号和key信号之间的关系。
10.5下载验证
首先我们打开按键控制蜂鸣器工程，在工程所在的路径下打开key_beep/prj/key_beep文件夹，在里面找到“key_beep.xise”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_beep工程打开后如图 10.5.1所示。
图 10.5.1 按键控制蜂鸣器工程
工程打开后双击“Configure Target Device”一栏中的“Manage Configuration Project(iMAPCT)” (上图红框位置)，在弹出的界面中双击“Boundary Scan”，下载界面如图 10.5.2所示。
图 10.5.2 程序下载界面
如下图 10.5.3所示。将Xilinx下载器一端连接电脑，另一端与开发板上的JTAG下载口连接，然后连接电源线。
图 10.5.3 超越者开发板实物图
打开电源开关，接下来我们下载程序，验证按键控制蜂鸣器功能。
开发板电源打开后，点击工具栏中的“Initialize chain”图标(图 10.5.4红框位置)，添加工程目录下的“key_beep.bit”文件。然后双击“Program”将工程编译完成后得到的bit文件下载到开发板中，如图 10.5.5所示。
图 10.5.4 硬件连接
图 10.5.5 程序下载完成界面
下载完成后，就能在开发板上看到按键控制蜂鸣器的效果如下图所示。
图 10.5.6 按键控制蜂鸣器效果图
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发表于 2021-1-23 15:18:03
