【正點原子FPGA連載】第十一章觸摸按鍵控制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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第十一章觸摸按鍵控制LED燈實驗

隨著電子技術的不斷發展，按鍵的應用場景越來越廣泛，觸摸按鍵在穩定性、使用壽命、抗干擾能力等方面都優于傳統的機械按鍵，被廣泛應用于遙控器，便攜電子設備，樓道電燈開關，各類家電控制面板等方面，本章將介紹觸摸按鍵的控制方法并使用開發板上的觸摸按鍵控制led的亮滅，
本章分為以下幾個章節：
1111.1簡介
11.2實驗任務
11.3硬體設計
11.4程式設計
11.5下載驗證
11.1簡介
觸摸按鍵主要可分為四大類：電阻式、電容式、紅外感應式以及表面聲波式，根據其屬性的不同，每種觸摸按鍵都有其合適的使用領域，
電阻式觸摸按鍵由多塊導電薄膜按照按鍵的位置印制而成，但由于耐用性較差且維護復雜，目前使用率較低；紅外感應式觸摸按鍵通過紅外掃描來識別按鍵位置，一般在較惡劣的環境下使用；表面聲波式觸摸按鍵利用聲波掃描來識別是否按下，使用壽命長，較適合公共場所的POS機，無人售歡訓等處使用，
電容式觸摸按鍵：這種按鍵的誕生主要是為了克服電阻式按鍵耐用性差的不足所提出的，電容式觸摸按鍵采用電容量為評判標準，其感應區域可穿透絕緣外殼（玻璃、塑料等）20mm以上，其靈敏度和可靠性不會因環境條件的改變或長期使用而發生變化，具有防水、強抗干擾能力強、適應溫度范圍廣以及使用壽命長等優點，是現代使用最廣泛，發展最迅速的一種觸摸按鍵，
接下來，我們具體的了解一下電容觸摸按鍵的構造和作業原理，
電容觸摸按鍵主要由按鍵IC部分和電容部分構成，按鍵IC部分主要由元器件供應商提供，用于將電容的變化轉換為電信號，電容部分指的是由電容極板，地，隔離區等組成觸摸按鍵的電容環境，
任何兩個導電的物體之間都存在著感應電容，在周圍環境不變的情況下，該感應電容值是固定不變的，如圖 11.1.1所示，手指接觸到觸摸按鍵時，按鍵和手指之間產生寄生電容，使按鍵的總容值增加，

圖 11.1.1 觸摸按鍵寄生電容示意圖
觸摸按鍵按下前后，電容的變化如圖 11.1.2所示，電容式觸摸按鍵IC在檢測到按鍵的感應電容值改變，并超過一定的閾值后，將輸出有效信號表示按鍵被按下，

圖 11.1.2 觸摸程序電容變化示意圖
11.2實驗任務
使用觸摸按鍵控制LED燈亮滅，開發板上電后LED為點亮狀態，手指觸摸后LED熄滅，再次觸摸，LED點亮，
11.3硬體設計
新起點開發板上的觸摸按鍵部分的原理圖如圖 11.3.1所示、多功能埠原理圖如圖 11.3.2所示，

圖 11.3.1 觸摸按鍵電路原理圖

圖 11.3.2 多功能埠原理圖
開發板上所使用的觸摸IC型號為AR101，它可以通過OP1和OP2兩個引腳選擇不同的作業模式：OP1拉低時，OUT引腳輸出信號高電平有效；OP1拉高時，OUT輸出信號低電平有效，
當OP2拉低時，觸摸IC作業在同步模式（類似于非自鎖的輕觸按鍵），即觸摸時輸出有效電平，松開后無有效電平輸出；OP2拉高時觸摸IC作業在保持模式（類似于自鎖按鍵），即檢測到觸摸操作后輸出有效電平，松開后，輸出電平保持不變，當再次檢測到觸摸操作時，輸出電平變化并繼續保持，
如圖 11.3.1所示，觸摸IC的引腳OP1和OP2均拉低，因此當手指按在觸摸按鍵上時，TOUT管腳輸高電平，松開后輸出低電平，
這里需要注意的是，由圖 11.3.1和圖 11.3.2所可知，TOUT引腳并沒有直接連接到FPGA引腳，而是連接到P4多功能埠上，而P4上的TPAD是和FPGA的引腳相連接的，因此，我們在做觸摸按鍵的實驗時，需要使用跳帽或者杜邦線將P4上的TPAD和TOUT短接在一起，
本實驗中，系統時鐘、復位按鍵、觸摸按鍵和LED燈的管腳分配如下表所示，

對應的TCL約束陳述句如下：
set_location_assignment PIN_M2 -to sys_clk
set_location_assignment PIN_M1 -to sys_rst_n
set_location_assignment PIN_F8 -to touch_key
set_location_assignment PIN_D11 -to led
11.4程式設計
本次設計的模塊埠及信號連接如圖 11.4.1所示，通過對按鍵信號上升沿的識別來進行控制信號的切換，起到控制LED亮滅的效果，

圖 11.4.1 模塊埠及信號連接圖
觸摸按鍵控制led代碼如下：

1   module touch_led(
2       //input
3       input        sys_clk,      //時鐘信號50Mhz
4       input        sys_rst_n,    //復位信號
5       input        touch_key,    //觸摸按鍵 
6   
7       //output
8       output  reg  led           //LED燈
9   );
10  
11  //reg define
12  reg    touch_key_d0;
13  reg    touch_key_d1;
14  
15  //wire define
16  wire   touch_en;
17  
18  //*****************************************************
19  //**                    main code
20  //*****************************************************
21  
22  //捕獲觸摸按鍵埠的上升沿，得到一個時鐘周期的脈沖信號
23  assign  touch_en = (~touch_key_d1) & touch_key_d0;
24  
25  //對觸摸按鍵埠的資料延遲兩個時鐘周期
26  always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
27      if(!sys_rst_n) begin
28          touch_key_d0 <= 1'b0;
29          touch_key_d1 <= 1'b0;
30      end
31      else begin
32          touch_key_d0 <= touch_key;
33          touch_key_d1 <= touch_key_d0;
34      end 
35  end
36  
37  //根據觸摸按鍵上升沿的脈沖信號切換led狀態
38  always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
39      if (!sys_rst_n)
40          led <= 1'b1;       //默認狀態下,點亮LED
41      else begin 
42          if (touch_en)
43              led <= ~led;
44      end
45  end
46  
47  endmodule

第23行至35代碼為一個經典的邊沿檢測電路，通過檢測touch_key的上升沿來捕獲按鍵按下的信號，一旦檢測到按鍵按下，輸出一個時鐘周期的脈沖touch_en，每當檢測到touch_en為高電平，led取反一次，
為了驗證我們的程式，我們在modelsim內對代碼進行仿真，
Test bench模塊代碼如下：

1   `timescale 1ns/1ns
2   module tb_touch_led();
3   
4   //parameter define
5   parameter   T =20 ;
6   
7   //reg define
8   reg sys_clk;
9   reg sys_rst_n;
10  reg touch_key;
11  
12  //wire define
13  wire led;
14  
15  //*****************************************************
16  //**                    main code
17  //*****************************************************
18  
19  //給輸入信號初始值
20  initial begin
21      sys_clk              <=1'b0;
22      sys_rst_n            <=1'b0;
23      touch_key            <=1'b0;
24      #20  sys_rst_n       <=1'b1;
25      #10  touch_key       <=1'b1;
26      #30  touch_key       <=1'b0; 
27      #110 touch_key       <=1'b1;
28      #30  touch_key       <=1'b0;
29  end
30  
31  //50Mhz的時鐘，周期則為1/50Mhz=20ns,所以每10ns，電平取反一次
32  always # (T/2) sys_clk <= ~sys_clk;
33  
34  touch_led  u0(
35  .sys_clk(sys_clk),
36  .sys_rst_n(sys_rst_n),
37  .touch_key(touch_key),
38  .led(led)
39  );
40  endmodule      

仿真波形如圖 11.4.2所示，

圖 11.4.2 仿真波形圖
測驗代碼中，第20至29行為信號的激勵，起始時sys_clk、sys_rst_n、touch_key為低電平，20ns時將復位信號拉高，10ns后將touch_key拉高并保持30ns，模擬第一次按鍵觸摸操作，110ns后再將touch_key拉高并保持30ns，模擬第二次按鍵觸摸操作，從圖 11.4.2仿真波形圖可以看出，在第一次按下按鍵后led由高電平變為低電平，再次按下后，led電平再次發生改變，
11.5下載驗證
首先我們打開touch_led工程，在工程所在的路徑下打開touch_led/par檔案夾，在里面找到“touch_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，touch_led工程打開后如圖 11.5.1所示，

圖 11.5.1 打開觸摸按鍵控制led工程
將USB-Blaster下載器一端連接電腦，另一端與開發板上的JTAG下載口相連，并確保跳帽已經連接，如圖 11.5.2所示，然后連接電源線并打開電源開關，

圖 11.5.2 新起點觸控按鍵、跳帽
硬體連接完成后通過點擊工具列中的“Programmer”圖示(圖 11.5.1中紅框位置)打開下載界面，
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，

圖 11.5.3 下載界面
下載界面如圖 11.5.3所示，查看圖中紅色矩形框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touch_led/par/output_files目錄下的“touch_led.sof”檔案，
下載完成后，就可以在板卡上測驗觸摸按鍵控制led的亮滅了，如圖 11.5.2所示，