《ATK-DFPGL22G 之FPGA开发指南》第九章 按键控制LED灯实验

正点原子运营

第九章  按键控制LED灯实验

1）实验平台：正点原子 ATK-DFPGL22G开发板

2) 章节摘自【正点原子】ATK-DFPGL22G之FPGA开发指南_V1.0

3）购买链接:https://detail.tmall.com/item_o.htm?id=692712955836

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/fpga/zdyz-PGL22G.html

5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

6）FPGA技术交流QQ群:435699340

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：

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 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

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。

1.3 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：

1. create_clock -name {clk} [get_ports {sys_clk}]-period {20} -waveform {0.000 10.000}
   
2. define_attribute {p:led[3]}{PAP_IO_DIRECTION} {OUTPUT}
   
3. define_attribute {p:led[3]}{PAP_IO_LOC} {G1}
   
4. define_attribute {p:led[3]} {PAP_IO_VCCIO}{1.5}
   
5. define_attribute {p:led[3]}{PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
   
6. define_attribute {p:led[3]}{PAP_IO_DRIVE} {4}
   
7. define_attribute {p:led[3]}{PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
   
8. define_attribute {p:led[3]}{PAP_IO_SLEW} {SLOW}
   
9. define_attribute {p:led[2]} {PAP_IO_DIRECTION}{OUTPUT}
   
10. define_attribute {p:led[2]}{PAP_IO_LOC} {J7}
    
11. define_attribute {p:led[2]}{PAP_IO_VCCIO} {1.5}
    
12. define_attribute {p:led[2]}{PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
    
13. define_attribute {p:led[2]}{PAP_IO_DRIVE} {4}
    
14. define_attribute {p:led[2]} {PAP_IO_PULLUP}{TRUE}
    
15. define_attribute {p:led[2]}{PAP_IO_SLEW} {SLOW}
    
16. define_attribute {p:led[1]}{PAP_IO_DIRECTION} {OUTPUT}
    
17. define_attribute {p:led[1]}{PAP_IO_LOC} {J6}
    
18. define_attribute {p:led[1]}{PAP_IO_VCCIO} {1.5}
    
19. define_attribute {p:led[1]}{PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
    
20. define_attribute {p:led[1]}{PAP_IO_DRIVE} {4}
    
21. define_attribute {p:led[1]}{PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
    
22. define_attribute {p:led[1]}{PAP_IO_SLEW} {SLOW}
    
23. define_attribute {p:led[0]}{PAP_IO_DIRECTION} {OUTPUT}
    
24. define_attribute {p:led[0]} {PAP_IO_LOC}{F3}
    
25. define_attribute {p:led[0]}{PAP_IO_VCCIO} {1.5}
    
26. define_attribute {p:led[0]}{PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
    
27. define_attribute {p:led[0]}{PAP_IO_DRIVE} {4}
    
28. define_attribute {p:led[0]}{PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
    
29. define_attribute {p:led[0]}{PAP_IO_SLEW} {SLOW}
    
30. define_attribute {p:key[3]}{PAP_IO_DIRECTION} {INPUT}
    
31. define_attribute {p:key[3]}{PAP_IO_LOC} {G3}
    
32. define_attribute {p:key[3]}{PAP_IO_VCCIO} {1.5}
    
33. define_attribute {p:key[3]}{PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
    
34. define_attribute {p:key[3]} {PAP_IO_PULLUP}{TRUE}
    
35. define_attribute {p:key[2]}{PAP_IO_DIRECTION} {INPUT}
    
36. define_attribute {p:key[2]}{PAP_IO_LOC} {H6}
    
37. define_attribute {p:key[2]}{PAP_IO_VCCIO} {1.5}
    
38. define_attribute {p:key[2]}{PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
    
39. define_attribute {p:key[2]}{PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
    
40. define_attribute {p:key[1]}{PAP_IO_DIRECTION} {INPUT}
    
41. define_attribute {p:key[1]}{PAP_IO_LOC} {H5}
    
42. define_attribute {p:key[1]}{PAP_IO_VCCIO} {1.5}
    
43. define_attribute {p:key[1]}{PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
    
44. define_attribute {p:key[1]}{PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
    
45. define_attribute {p:key[0]}{PAP_IO_DIRECTION} {INPUT}
    
46. define_attribute {p:key[0]}{PAP_IO_LOC} {F2}
    
47. define_attribute {p:key[0]}{PAP_IO_VCCIO} {1.5}
    
48. define_attribute {p:key[0]}{PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
    
49. define_attribute {p:key[0]}{PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
    
50. define_attribute {p:sys_clk}{PAP_IO_DIRECTION} {INPUT}
    
51. define_attribute {p:sys_clk}{PAP_IO_LOC} {B5}
    
52. define_attribute {p:sys_clk}{PAP_IO_VCCIO} {3.3}
    
53. define_attribute {p:sys_clk}{PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS33}
    
54. define_attribute {p:sys_clk}{PAP_IO_PULLUP} {TRUE}
    
55. define_attribute {p:sys_rst_n}{PAP_IO_DIRECTION} {INPUT}
    
56. define_attribute {p:sys_rst_n}{PAP_IO_LOC} {G5}
    
57. define_attribute {p:sys_rst_n}{PAP_IO_VCCIO} {1.5}
    
58. define_attribute {p:sys_rst_n}{PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
    
59. define_attribute {p:sys_rst_n}{PAP_IO_PULLUP} {TRUE}

复制代码

1.4 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. 1  module key_led(
   
2. 2       input              sys_clk  ,    //50Mhz系统时钟
   
3. 3       input              sys_rst_n,    //系统复位，低有效
   
4. 4       input        [3:0  key,          //按键输入信号
   
5. 5       output  reg  [3:0  led           //LED输出信号
   
6. 6       );
   
7. 7  
   
8. 8  //reg define     
   
9. 9  reg  [23:0 cnt;
   
10. 10 reg  [1:0  led_control;
    
11. 11
    
12. 12 //用于计数0.2s的计数器
    
13. 13 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    
14. 14      if(!sys_rst_n)
    
15. 15          cnt<=24'd9_999_999;
    
16. 16      else if(cnt<24'd9_999_999)
    
17. 17          cnt<=cnt+1;
    
18. 18      else
    
19. 19          cnt<=0;
    
20. 20 end
    
21. 21
    
22. 22 //用于led灯状态的选择
    
23. 23 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    
24. 24      if (!sys_rst_n)
    
25. 25          led_control <= 2'b00;
    
26. 26      else if(cnt == 24'd9_999_999)
    
27. 27          led_control <= led_control + 1'b1;
    
28. 28      else
    
29. 29          led_control <= led_control;
    
30. 30 end
    
31. 31
    
32. 32 //识别按键，切换显示模式
    
33. 33 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    
34. 34      if(!sys_rst_n) begin
    
35. 35            led<=4'b 0000;
    
36. 36      end
    
37. 37      else if(key[0]== 0)  //按键1按下时，从右向左的流水灯效果
    
38. 38          case (led_control)
    
39. 39              2'b00   : led<=4'b1000;
    
40. 40              2'b01   : led<=4'b0100;
    
41. 41              2'b10   : led<=4'b0010;
    
42. 42              2'b11   : led<=4'b0001;
    
43. 43              default  : led<=4'b0000;
    
44. 44          endcase
    
45. 45      else if(key[1]== 0)  //按键1按下时，从右向左的流水灯效果
    
46. 46          case (led_control)
    
47. 47              2'b00   : led<=4'b0001;
    
48. 48              2'b01   : led<=4'b0010;
    
49. 49              2'b10   : led<=4'b0100;
    
50. 50              2'b11   : led<=4'b1000;
    
51. 51              default  : led<=4'b0000;
    
52. 52          endcase
    
53. 53      else if (key[2]==0)  //按键2按下时，LED闪烁
    
54. 54          case (led_control)
    
55. 55              2'b00   : led<=4'b1111;
    
56. 56              2'b01   : led<=4'b0000;
    
57. 57              2'b10   : led<=4'b1111;
    
58. 58              2'b11   : led<=4'b0000;
    
59. 59              default  : led<=4'b0000;
    
60. 60          endcase
    
61. 61      else if (key[3]==0)  //按键3按下时，LED全亮
    
62. 62          led<=4'b1111;
    
63. 63      else
    
64. 64          led<=4'b0000;    //无按键按下时，LED熄灭   
    
65. 65 end
    
66. 66
    
67. 67 endmodule

复制代码

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。

1.5 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