【正点原子FPGA连载】第八章按键控制蜂鸣器实验--摘自【正点原子】领航者ZYNQ之FPGA开发指南_V1.2

正点原子运营 · 发表于 2020-6-6 10:52:36

本帖最后由正点原子01 于 2020-6-9 10:50 编辑

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按键控制蜂鸣器实验.zip (773.4 KB, 下载次数: 8)

2020-6-6 10:52 上传

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第八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：

1.1 蜂鸣器简介

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 蜂鸣器简介

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8.1.1有源蜂鸣器（左）和无源蜂鸣器（右）

如上图所示，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，能看到绿色电路板的是无源蜂鸣器，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有源蜂鸣器。

1.2 实验任务

本节实验任务是使用领航者上的PL KEY0按键来控制蜂鸣器发声。初始状态为蜂鸣器鸣叫，按下按键后蜂鸣器停止鸣叫，再次按下开关，蜂鸣器重新鸣叫。

1.3 硬件设计

图8.3.1蜂鸣器控制电路原理图

上图为蜂鸣器控制电路的原理图。由于ZYNQ的IO其电流驱动能力有限，所以我们在蜂鸣器的驱动电路中加入三级管Q1，以将ZYNQ的IO驱动电流放大，然后再驱动蜂鸣器。

本实验的管脚分配如下表所示,其中时钟源位于核心板上，复位按键、用户按键、蜂鸣器都位于底板上：

表8.3.1按键控制蜂鸣器实验管脚分配

对应的XDC约束语句如下所示：

set_property -dict {PACKAGE_PIN G18 IOSTANDARDLVCMOS33} [get_ports {beep}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN L20 IOSTANDARDLVCMOS33} [get_ports {key}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARDLVCMOS33} [get_ports sys_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARDLVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]

复制代码

1.4 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即可。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。

在这里我们先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在硬件电路上实现消抖，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，由处理器延时5ms至20ms，然后再对按键状态进行采样并判断。如下图所示：

图8.4.1按键消抖原理图

由上面的分析可知，本次实验中的系统至少包含按键消抖模块和蜂鸣器控制两个模块。系统框图如下图所示：

图8.4.2按键控制蜂鸣器系统框图

图8.4.2中，按键消抖模块用于消除按键的抖动，消抖之后的信号用于控制蜂鸣器的鸣叫状态。

程序中各模块端口及信号连接如下图所示：

图8.4.3端口及信号连接图

由上图系统框图可知，代码部分包括三个模块。顶层模块（top_key_beep），作用为完成对另外两个模块的例化。按键消抖模块（key_debounce），主要用于对按键进行抖动滤除。按键控制蜂鸣器模块（beep_control），识别按键按下的那一刻，并对蜂鸣器的鸣叫状态进行翻转。

顶层模块代码如下：

module top_key_beep(
input sys_clk ,
input sys_rst_n ,
input key ,
output beep
);
//wire define
wire key_value ;
wire key_flag ;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//例化按键消抖模块
key_debounce u_key_debounce(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.key (key),
.key_value (key_value),
.key_flag (key_flag)
);
//例化蜂鸣器控制模块
beep_control u_beep_control(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.key_value (key_value),
.key_flag (key_flag),
.beep (beep)
);
endmodule

复制代码

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：

module key_debounce(
input sys_clk ,
input sys_rst_n ,
input key ,//外部输入的按键值
outputreg key_value ,//消抖后的按键值
outputreg key_flag //消抖后的按键值的效标志
);
//reg define
reg[19:0 cnt ;
reg key_reg ;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//按键值消抖
always@(posedge sys_clk ornegedge sys_rst_n)begin
if(!sys_rst_n)begin
cnt <=20'd0;
key_reg <=1'b1;
end
elsebegin
key_reg <=key;//将按键值延迟一拍
if(key_reg != key)begin//检测到按键状态发生变化
cnt <=20'd100_0000;//则将计数器置为20'd100_0000，
//即延时100_0000* 20ns(1s/50MHz) = 20ms
end
elsebegin//如果当前按键值和前一个按键值一样，即按键没有发生变化
if(cnt >20'd0)//则计数器递减到0
cnt <= cnt -1'b1;
else
cnt <=20'd0;
end
end
end
//将消抖后的最终的按键值送出去
always@(posedge sys_clk ornegedge sys_rst_n)begin
if(!sys_rst_n)begin
key_value <=1'b1;
key_flag <=1'b0;
end
//在计数器递减到1时送出按键值
elseif(cnt ==20'd1)begin
key_value <=key;
key_flag <=1'b1;
end
elsebegin
key_value <=key_value;
key_flag <=1'b0;
end
end
endmodule

复制代码

代码中的第26行，每检测到按键被按下或松开，就让计数器从100_0000开始递减，时长20ms。在这20ms期间，每当有抖动产生，计数器就被重置回100_0000，即重新开始计时20ms。代码中的第46行，只有在计数器递减到1时，即此时计数器计时完了20ms，才会寄存按键的值。这样，每当按键被按下或松开，20ms内的抖动就被消除了。

蜂鸣器控制模块的代码如下：