【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》

正点原子 · 发表于 2019-5-8 17:12:22

1）实验平台：正点原子开拓者FPGA开发板

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3）本实例源码下载：

2_key_led.rar (4.28 MB, 下载次数: 40)

2019-5-8 17:05 上传

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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_clk	input	E1	系统时钟，50M
sys_rst_n	input	M1	系统复位，低有效
key[0]	input	E16	按键
key[1]	input	E15	按键
key[2]	input	M2	按键
key[3]	input	M16	按键
led[0]	output	D11	LED
led[1]	output	C11	LED
led[2]	output	E10	LED
led[3]	output	F9	LED

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：

1 modulekey_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 output reg [3:0] led //LED输出信号

6 );

7

8 //reg define

9 reg [23:0] cnt;

10 reg [1:0] led_control;

11

12 //用于计数0.2s的计数器

13 always @ (posedge sys_clk or negedgesys_rst_n) begin

14 if(!sys_rst_n)

15 cnt<=24'd 9_999_999;

16 elseif(cnt<24'd 9_999_999)

17 cnt<=cnt+1;

18 else

19 cnt<=0;

20 end

21

22 //用于led灯状态的选择

23 always @(posedge sys_clk ornegedge sys_rst_n) begin

24 if (!sys_rst_n)

25 led_control <= 2'b00;

26 elseif(cnt == 24'd9_999_999)

27 led_control <= led_control + 1'b1;

28 else

29 led_control <= led_control;

30 end

31

32 //识别按键，切换显示模式

33 always @(posedge sys_clk ornegedge sys_rst_n) begin

34 if(!sys_rst_n) begin

35 led<=4'b 0000;

36 end

37 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 endcase

45 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 endcase

53 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 endcase

61 elseif (key[3]==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

65 end

66

67 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 ns

2 moduletb_key_led();

3

4 parameterT = 20;

5

6 reg [3:0] key ;

7 reg sys_clk ;

8 reg sys_rst_n;

9 reg key_value;

10

11 wire [3:0] led;

12

13 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 #T sys_rst_n <=1'b1; //一个时钟周期后复位信号拉高

18

19 #600_000_020key[0] <=0; //0.6s时按下按键1

20 #800_000_000key[0] <=1;

21key[1] <=0; //0.8s后松开按键1，按下按键2

22 #800_000_000key[1] <=1;

23key[2] <=0; //0.8s后松开按键2，按下按键3

24 #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4

27

28 end

29

30 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 );

37

38 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[0]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。