【正點原子FPGA連載】第九章按鍵控制LED燈實驗 -摘自【正點原子】新起點之FPGA開發指南_V2.1

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第九章按鍵控制LED燈實驗

按鍵是常用的一種控制器件，生活中我們可以見到各種形式的按鍵，由于其結構簡單，成本低廉等特點，在家電、數碼產品、玩具等方面有廣泛的應用，本章我們將介紹如何使用按鍵控制多個LED的亮滅，
本章包括以下幾個部分

99.1簡介
9.2實驗任務
9.3硬體設計
9.4程式設計
9.5下載驗證

9.1簡介
按鍵開關是一種電子開關，屬于電子元器件類，我們的開發板上有兩種按鍵開關：第一種是本實驗所使用的輕觸式按鍵開關（如圖 9.1.1），簡稱輕觸開關，使用時以向開關的操作方向施加壓力使內部電路閉合接通，當撤銷壓力時開關斷開，其內部結構是靠金屬彈片受力后發生形變來實作通斷的；第二種是自鎖按鍵（如圖 9.1.2），自鎖按鍵第一次按下后保持接通，即自鎖，第二次按下后，開關斷開，同時開關按鈕彈出來，開發板上的電源鍵就是這種開關，

圖 9.1.1 輕觸式按鍵

圖 9.1.2 自鎖式按鍵
9.2實驗任務
使用新起點開發板上的四個按鍵控制四個LED燈，不同按鍵按下時，四個LED燈顯示不同效果，
9.3硬體設計
如圖 9.3.1所示，本實驗使用四個按鍵開關控制四個LED燈，

圖 9.3.1 按鍵電路原理圖
如上圖所示，開發板上的5個按鍵未按下時，輸出高電平，按下后，輸出低電平，
本實驗中，系統時鐘、復位按鍵、按鍵和LED燈的管腳如下表所示，
表 9.3.1 觸摸按鍵控制LED管腳分配圖

對應的TCL約束檔案如下：
set_location_assignment PIN_M2 -to sys_clk
set_location_assignment PIN_M1 -to sys_rst_n
set_location_assignment PIN_E16 -to key[0]
set_location_assignment PIN_E15 -to key[1]
set_location_assignment PIN_M15 -to key[2]
set_location_assignment PIN_M16 -to key[3]
set_location_assignment PIN_D11 -to led[0]
set_location_assignment PIN_C11 -to led[1]
set_location_assignment PIN_E10 -to led[2]
set_location_assignment PIN_F9 -to led[3]
9.4程式設計
我們程式設計最終實作的效果為：無按鍵按下時，LED燈全滅；按鍵1按下時，LED燈顯示自右向左的流水效果；按鍵2按下時，LED燈顯示自左向右的流水效果；按鍵3按下時，四個LED燈同時閃爍；按鍵4按下時，LED燈全亮，
LED在流水效果和閃爍效果在時間間隔均為0.2秒，因此需要在程式中定義一個0.2s的計數器，即每隔0.2s，狀態計數器加一，根據當前按鍵的狀態選擇不同的顯示模式，不同的顯示模式下四個led燈的亮滅隨狀態計數器的值改變，從而呈現出不同的顯示效果，

圖 9.4.1 系統框圖
按鍵控制led模塊的代碼如下所示：

1   module key_led(
2       input               sys_clk  ,    //50Mhz系統時鐘
3       input               sys_rst_n,    //系統復位，低有效
4       input        [3:0]  key,          //按鍵輸入信號
5       output  reg  [3:0]  led           //LED輸出信號
6       );
7   
8   //reg define     
9   reg  [23:0] cnt;
10  reg  [1:0]  led_control;
11  
12  //用于計數0.2s的計數器
13  always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
14      if(!sys_rst_n)
15          cnt<=24'd9_999_999;
16      else if(cnt<24'd9_999_999)
17          cnt<=cnt+1;
18      else
19          cnt<=0;
20  end 
21  
22  //用于led燈狀態的選擇
23  always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
24      if (!sys_rst_n)
25          led_control <= 2'b00;
26      else if(cnt == 24'd9_999_999) 
27          led_control <= led_control + 1'b1;
28      else
29          led_control <= led_control;
30  end
31  
32  //識別按鍵，切換顯示模式
33  always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
34      if(!sys_rst_n) begin
35          led<=4'b 0000;
36      end
37      else if(key[0]== 0)  //按鍵1按下時，從右向左的流水燈效果
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      else if (key[1]==0)  //按鍵2按下時，從左向右的流水燈效果
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      else if (key[2]==0)  //按鍵3按下時，LED閃爍
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      else if (key[3]==0)  //按鍵4按下時，LED全亮
62          led=4'b1111;
63      else
64          led<=4'b0000;    //無按鍵按下時，LED熄滅     
65  end
66  
67  endmodule 

代碼主要分為三個部分，第12至20行對系統時鐘計數，當計數時間達0.2s時，計數器清零，同時使led_control在四個狀態（00,01,10,11）內依次變化，第33至65行利用case陳述句實作對按鍵狀態的檢測，當不同的按鍵按下時，led隨著led_control的變化，被賦予不同的值，
大家可以發現，本次實驗和流水燈實驗計數時間都是0.2s，本次實驗的計數器最大可以計數到9_999_999，而流水燈實驗中計數器的值最大可以計數到10_000_000，事實上，這兩個實驗計數器都是從0開始計數的，本次實驗從0計數到9_999_999，需要10_000_000個時鐘周期，而系統時鐘為20ns，所以計數的時間為0.2s，而流水燈實驗從0計數到10_000_000需要10_000_001個時鐘周期，因此其計數時間實際上比0.2s要多出20ns，
為了驗證我們的程式，我們在modelsim內對代碼進行仿真，
Testbench模塊代碼如下：

1   `timescale 1 ns/ 1 ns
2   module tb_key_led();
3   
4   parameter T = 20;
5   
6   reg  [3:0]  key      ;
7   reg         sys_clk  ;
8   reg         sys_rst_n;
9   
10  wire [3:0]  led;
11  
12  initial begin   
13      key                <=4'b1111;//按鍵初始狀態為全斷開
14      sys_clk            <=1'b0;   //初始時鐘為低電平
15      sys_rst_n          <=1'b0;   //復位信號初始為低電平
16  #T   sys_rst_n          <=1'b1;   //一個時鐘周期后復位信號拉高
17  
18  #600_000_020 key[0]     <=0;      //0.6s時按下按鍵1
19  #800_000_000 key[0]     <=1;    
20  key[1]                  <=0;      //0.8s后松開按鍵1，按下按鍵2
21  #800_000_000 key[1]     <=1;   
22  key[2]                  <=0;      //0.8s后松開按鍵2，按下按鍵3
23  #800_000_000 key[2]     <=1;   
24  key[3]                  <=0;      //0.8s后松開按鍵3，按下按鍵4    
25  #800_000_000 key[3]     <=1;      //0.8s后松開按鍵4
26  
27  end 
28  
29  always # (T/2) sys_clk <= ~sys_clk;
30  key_led   u_key_led(
31      .sys_clk(sys_clk),       
32      .sys_rst_n(sys_rst_n),     
33      .key(key),                  
34      .led(led)          
35      );
36  
37  endmodule

圖 9.4.2 仿真影像
觀察代碼，結合波形分析可知，14至16行代碼為對時鐘信號、復位信號、按鍵信號賦初始值，默認為按鍵全斷開，第0.6s時按下按鍵key0（kye[0]由高電平變為低電平），可觀察到led3至led0依次點亮，呈現自右向左的流水效果；按鍵key1斷開的同時按下按鍵key2，可觀察到led0至led3依次點亮，呈現自左向右的流水效果；按鍵key2斷開的同時按下按鍵key3s，可觀察到led0至led3呈現閃爍效果；按鍵key3斷開的同時按下按鍵key4，可觀察到led0至led3保持全亮，
9.5下載驗證
首先我們打開按鍵控制LED工程，在工程所在的路徑下打開key_led/par檔案夾，在里面找到“key_led.qpf”并雙擊打開，注意工程所在的路徑名只能由字母、數字以及下劃線組成，不能出現中文、空格以及特殊字符等，key_led工程打開后如圖 9.5.1所示，

圖 9.5.1 打開工程
工程打開后通過點擊工具列中的“Programmer”圖示(圖中紅框位置)打開下載界面，
下載界面如圖 9.5.2所示，查看圖中是否已經加載下載檔案（sof檔案），如果沒有，則需要通過點擊“Add File”按鈕添加流水燈工程中key_led/par/output_files目錄下的“key_led.sof”檔案，

圖 9.5.2 下載界面
如下圖 9.5.3所示，將下載器一端連接電腦，另一端與開發板上的JTAG下載口相連接，如下圖所示，然后連接電源線并打開電源開關，

圖 9.5.3 開發板按鍵
開發板電源打開后，在程式下載界面點擊“Hardware Setup”，在彈出的對話框中選擇當前的硬體連接為“USB-Blaster”，然后點擊“Start”將工程編譯完成后得到的sof檔案下載到開發板中，
下載完成后，就可以利用按鍵來控制LED了，如圖 9.5.3所示，