《领航者ZYNQ之FPGA开发指南 V2.0》 第九章 按键控制LED实验

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1）实验平台：正点原子领航者V2FPGA开发板
2)  章节摘自【正点原子】《领航者ZYNQ之FPGA开发指南 V2.0》
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第九章 按键控制LED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 7.5.13.1），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 7.5.13.2），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 7.5.13.1 轻触式按键

图 7.5.13.2 自锁式按键

9.2实验任务
本节实验任务是使用底板上的PL_KEY0和PL_KEY1按键来控制底板上的PL_LED0和PL_LED1两个LED的闪烁方式。没有按键按下时，两个LED保持常亮；如果按键0按下，则两个LED交替闪烁；如果按键1按下，则两个LED同时闪烁。
9.3硬件设计
底板上按键的原理图如下图所示：

图 7.5.13.1 按键电路原理图

在图 7.5.13.1中，PL_KEY0和PL_KEY1连接到ZYNQ的PL端，PS_KEY0和PS_KEY1连接到ZYNQ的PS端。在《领航者ZYNQ之FPGA开发指南》中，我们只使用PL端的外设。
PL端的按键没有按下时，对应的IO端口为高电平；当按键按下时，对应的IO端口变为低电平。
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XDC约束语句如下所示：

1. set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk]
   
2. set_property -dict {PACKAGE_PIN N16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
   
3. set_property -dict {PACKAGE_PIN L14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports key[0]]
   
4. set_property -dict {PACKAGE_PIN K16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports key[1]]
   
5. set_property -dict {PACKAGE_PIN H15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[0]}]
   
6. set_property -dict {PACKAGE_PIN L15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[1]}]

复制代码

9.4程序设计
按键控制LED系统框图如下图所示：

图 7.5.13.1 按键控制LED系统框图

在图 7.5.13.1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0.5秒的时候，就改变LED的显示状态，然后清零并重新开始计数。
然后根据两个按键（KEY0和KEY1）的状态，在不同的LED状态下，分别设置LED的显示模式（是同时闪烁，或者交替闪烁）。

顶层模块代码如下：

1. 1   module key_led(
   
2. 2       input               sys_clk ,
   
3. 3       input               sys_rst_n ,
   
4. 4   
   
5. 5       input        [1:0]  key ,
   
6. 6       output  reg  [1:0]  led
   
7. 7   );
   
8. 8   
   
9. 9   //reg define
   
10. 10  reg [24:0] cnt;
    
11. 11  reg        led_ctrl;
    
12. 12  
    
13. 13  //*****************************************************
    
14. 14  //**                    main code
    
15. 15  //*****************************************************
    
16. 16  
    
17. 17  //计数器
    
18. 18  always [url=home.php?mod=space&uid=95564]@[/url] (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    
19. 19      if(!sys_rst_n)
    
20. 20          cnt <= 25'd0;
    
21. 21      else if(cnt < 25'd2500_0000)  //计数500ms
    
22. 22          cnt <= cnt + 1'b1;
    
23. 23      else
    
24. 24          cnt <= 25'd0;
    
25. 25  end
    
26. 26  
    
27. 27  //每隔500ms就更改LED的闪烁状态
    
28. 28  always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    
29. 29      if(!sys_rst_n)
    
30. 30          led_ctrl <= 1'b0;
    
31. 31      else if(cnt == 25'd2500_0000)
    
32. 32          led_ctrl <= ~led_ctrl;
    
33. 33  end
    
34. 34  
    
35. 35  //根据按键的状态以及LED的闪烁状态来赋值LED
    
36. 36  always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    
37. 37      if(!sys_rst_n)
    
38. 38          led <= 2'b11;
    
39. 39      else case(key)
    
40. 40          2'b10 :  //如果按键0按下，则两个LED交替闪烁
    
41. 41              if(led_ctrl == 1'b0)
    
42. 42                  led <= 2'b01;
    
43. 43              else
    
44. 44                  led <= 2'b10;
    
45. 45          2'b01 :  //如果按键1按下，则两个LED同时闪烁
    
46. 46              if(led_ctrl == 1'b0)
    
47. 47                  led <= 2'b11;
    
48. 48              else
    
49. 49                  led <= 2'b00;
    
50. 50          2'b11 :  //如果两个按键都未按下，则两个LED都保持点亮
    
51. 51                  led <= 2'b11;
    
52. 52          default: ;
    
53. 53      endcase
    
54. 54  end
    
55. 55  
    
56. 56  endmodule

复制代码

代码的第18行的always块用于产生计数器，计时500ms。代码的第28行的always块功能是每隔500ms就给出led的闪烁状态控制信号。代码第36行的always块使用了一个case语句，来根据当前按键的输入值和led闪烁状态控制信号，来进行两个led的赋值。如果按键1按下，则两个LED交替闪烁；如果按键0按下，则两个LED同时亮灭交替；如果两个按键都未按下，则两个LED都保持点亮。
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bit文件下载到开发板中。下载完成之后，底板上两个PL LED处于点亮状态。然后按下PL_KEY0，可以看到两个PL LED交替闪烁；按下PL_KEY1，可以看到两个PL的LED同时闪烁。如下图所示：

图 7.5.13.1 实验现象