Vivado 下按键控制 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控制多个 LED 的亮灭。

1、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（如下图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（如下图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。

2、实验环境

Windows 10 64 位
vivado 2020.2
Xinlinx 黑金 FPGA 开发板（AX7A035t 开发板、AX7A100t 开发板、AX7A200t 开发板）

3、实验任务

使用 Xinlinx 黑金 FPGA 开发板上的四个按键控制四个 LED 灯。不同按键按下时，四个 LED 灯显示不同效果。

4、硬件设计

如图 3.1 所示，本实验使用四个按键开关控制四个 LED 灯。

如上图所示，开发板上的 4 个按键未按下时，输出高电平，按下后，输出低电平。

5、程序设计

我们程序设计最终实现的效果为：无按键按下时，LED 灯全灭；按键 1 按下时，LED 灯显示自右向左的流水效果；按键 2 按下时，LED 灯显示自左向右的流水效果；按键 3 按下时，四个 LED 灯同时闪烁；按键 4 按下时，LED 灯全亮。

LED 在流水效果和闪烁效果在时间间隔均为 0.2 秒，因此需要在程序中定义一个 0.2s 的计数器，即每隔 0.2s，状态计数器加一。根据当前按键的状态选择不同的显示模式，不同的显示模式下四个 led 灯的亮灭随状态计数器的值改变，从而呈现出不同的显示效果。

5.1、按键控制 led 模块代码

按键控制 led 模块的代码如下所示：

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2023/05/10 20:25:57
// Design Name: 
// Module Name: key_led
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//
//实验任务：按键控制LED灯
//使用开发板上的四个按键控制四个 LED 灯。不同按键按下时，四个 LED 灯显示不同效果。module key_led(
//    input               sys_clk,       //50MHz系统时钟(一个周期是20ns：1/50MHz=0.02us=20ns)//differential system clocks //200MHz系统时钟(一个周期是5ns：1/200MHz=0.005us=5ns)input               sys_clk_p,       // Differential input clock 200Mhzinput               sys_clk_n,       // Differential input clock 200Mhzinput               sys_rst_n,       //reset ,low active //系统复位,低电平有效input       [3:0]   key,             //按键输入信号output reg  [3:0]   led              //LED输出信号);//define the time counter
reg  [26:0] cnt;
reg  [1:0]  led_control;//*********差分时钟这么处理***START******************
wire        sys_clk;
//差分输入时钟缓冲器-黑金FPGA
IBUFDS sys_clk_ibufgds //generate single end clock
(.O       (sys_clk      ),   //Differential clock converted to single terminal clock.I       (sys_clk_p    ),.IB      (sys_clk_n    )
);
//*********差分时钟这么处理*****END*******************//用于计数0.2s的计数器.
//(1/50MHz=0.02us=20ns)(0.2s需计数：0.2s/20ns=10_000_000次)
//(1/200MHz=0.005us=5ns)(0.2s需计数：0.2s/5ns=40_000_000次)
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) beginif (!sys_rst_n)cnt <= 26'd0;//else if (cnt < 26'd9_999_999)else if (cnt < 26'd39_999_999)//else if (cnt < 26'd9)  //仅用于仿真cnt <= cnt + 1;elsecnt <= 0;
end//用于led灯状态的选择
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) beginif (!sys_rst_n)led_control <= 2'b00;else if (cnt == 26'd39_999_999)//else if (cnt == 26'd9)  //仅用于仿真led_control <= led_control + 1'b1;elseled_control <= led_control;
end//识别按键，切换显示模式
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) beginif (!sys_rst_n) beginled <= 4'b0000;endelse if (key[0]==0) //按键1 按下时，从右向左的流水灯效果case(led_control)2'b00 : led <= 4'b1000;2'b01 : led <= 4'b0100;2'b10 : led <= 4'b0010;2'b11 : led <= 4'b0001;default : led <= 4'b0000;endcaseelse if (key[1]==0) //按键2 按下时，从左向右的流水灯效果case(led_control)2'b00 : led <= 4'b0001;2'b01 : led <= 4'b0010;2'b10 : led <= 4'b0100;2'b11 : led <= 4'b1000;default :led <= 4'b0000;endcaseelse if (key[2]==0) //按键3 按下时，LED灯闪烁case(led_control)2'b00 : led <= 4'b1111;2'b01 : led <= 4'b0010;2'b10 : led <= 4'b1111;2'b11 : led <= 4'b0000;default :led <= 4'b0000;endcaseelse if (key[3]==0) //按键4 按下时，LED灯全亮led <= 4'b1111;elseled <= 4'b0000;  //无按键按下时,LED全熄灭
endendmodule

代码主要分为三个部分，第 49 至 61 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 74 至 107 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。仿真时我们设为每 10 个时钟周期，进行一次状态转换一次，如代码第 57 和 68 行。

大家可以发现，本次实验和流水灯实验计数时间都是0.2s，本次实验的计数器最大可以计数到39_999_999，而流水灯实验中计数器的值最大可以计数到 40_000_000。事实上，这两个实验计数器都是从 0 开始计数的，

本次实验从 0 计数到 39_999_999，需要 40_000_000 个时钟周期，而系统时钟为 5ns，所以计数的时间为 0.2s，而流水灯实验从 0 计数到 40_000_000 需要 40_000_001 个时钟周期，因此其计数时间实际上比 0.2s 要多出 5ns。

5.2、Vivado 仿真验证

为了验证我们的程序，我们使用 Vivado 对代码进行仿真。

5.2.1、Testbench 模块代码如下：

//`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2023/05/10 21:08:42
// Design Name: 
// Module Name: tb_key_led
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//`timescale 1ns / 1ns     //定义仿真时间单位为1ns，仿真时间精度为1ns
module tb_key_led();      //测试模块//parameter T = 20; //时钟周期为20ns
parameter T = 5; //时钟周期为5ns// Inputs
reg   [3:0]  key;       //按键信号
//reg          sys_clk;   //时钟信号
reg       sys_clk_p;   //时钟信号
wire      sys_clk_n;
reg          sys_rst_n; //复位信号// Outputs
wire  [3:0]  led;//***************************************
//**        main code
//***************************************initial beginkey           <=4'b1111;//按键初始状态全为断开
//       sys_clk       <=1'b0;   //初始时钟为低电平sys_clk_p     <=1'b0;   //初始时钟为低电平sys_rst_n     <=1'b0;   //复位信号初始为低电平
#T     sys_rst_n     <=1'b1;   //一个时钟周期后复位信号拉高key[0]        <=0;     //0.6s时按下按键1
#800   key[0]        <=1;key[1]        <=0;     //0.8s后松开按键1，按下按键2
#800   key[1]        <=1;key[2]        <=0;     //0.8s后松开按键2，按下按键3
#800   key[2]        <=1;key[3]        <=0;     //0.8s后松开按键3，按下按键4
#800   key[3]        <=1;     //0.8s后松开按键4end//always #(T/2) sys_clk <= ~sys_clk;  //每半个周期后，电平取反一次。
always #(T/2) sys_clk_p <= ~sys_clk_p;  //每半个周期后，电平取反一次。
assign sys_clk_n=~sys_clk_p;//实例化key_led模块
key_led  u_key_led(
//      .sys_clk        (sys_clk),.sys_clk_p      (sys_clk_p), .sys_clk_n      (sys_clk_n),.sys_rst_n      (sys_rst_n),.key            (key),.led            (led)
);endmodule

5.2.2、Vivado 仿真验证

仿真波形如下：

观察代码，结合波形分析可知。43 至 49 行代码为对时钟信号、复位信号、按键信号赋初始值，默认为按键全断开。在第一个周期按下按键 key0（kye[0]由高电平变为低电平），可观察到 led3 至 led0 依次点亮，呈现自右向左的流水效果；按键 key0 断开的同时按下按键 key1，可观察到 led0 至 led3 依次点亮，呈现自左向右的流水效果；按键 key1 断开的同时按下按键 key2，可观察到 led0 至 led3 呈现闪烁效果；按键 key2 断开的同时按下按键 key3，可观察到 led0 至 led3 保持全亮。