基于ZYNQ-7000系列的FPGA学习笔记7——按键控制蜂鸣器（模块化编写）
- 1. 实验要求
- 2. 功能分析
- 3. 模块设计
- 4. 波形图
- 4.1 按键消抖模块
- 4.2 按键控制蜂鸣器模块
- 5.代码编写
- 5.1 rtl代码
- 5.2 测试代码
- 6. 代码仿真
- 7. 添加约束文件并分析综合
在上期的内容中，我们通过模拟按键控制led，这一期学习的内容是：按键控制蜂鸣器
1. 实验要求
通过按键控制领航者底板上的蜂鸣器，要求如下：
- 初始状态蜂鸣器响起
- 按下一次按键，改变一次按键的状态
- 需要对输入的按键信号进行消抖，消抖的时间为20ms
- 按下复位按键，蜂鸣器恢复默认状态
2. 功能分析
首先我们需要看一下蜂鸣器相关的原理图：
可以看到蜂鸣器通过一个8050的三极管驱动，连接到FPGA芯片的Bank35 ，引脚为L23。需要让蜂鸣器叫的话，给高电平就可以。
关于按键部分的内容，可以参考本系列的前面几篇，这里不做介绍。
3. 模块设计
由于本次的实验内容中需要我们设计多个模块，所以我设计了上述的功能框图，可以分为下面三个子模块：
- 按键消抖模块：作用是对输入的按键信号进行一个20ms的消抖
- 按键控制蜂鸣器模块：作用是对消抖之后的数据边沿采集，通过采集到的信号沿控制蜂鸣器
- 按键控制蜂鸣器顶层模块：分别例化了按键消抖模块和按键控制蜂鸣器模块，完成整个实验要求。
4. 波形图
4.1 按键消抖模块
为了防止按键的输入信号在采集的过程中出现亚稳态，我这里进行了打两拍的操作。同时为了实现按键的消抖，我也定义了一个cnt，用来记录电平保持稳定的时间，当这个时间大于20ms时才任务是按键按下了，这样就实现了按键的消抖
4.2 按键控制蜂鸣器模块
由于按键控制蜂鸣器模块的按键输入是消抖的后的按键信息（已经打过两拍了），所以我这里只打一个拍，用来计算是否产生了下降沿，从而判断按键是否按下
【注】：由于顶层按键控制蜂鸣器只是例化了上述两个模块，因此这里就不绘制波形图了，之间看后面仿真结果就可以。
5.代码编写
5.1 rtl代码
- 按键消抖模块：key_filter.v
//模块的端口定义
module key_filter(
input sys_clk,
input sys_rst_n,
input key,
output reg key_filter
);
reg key_d0; // 打两拍的变量定义
reg key_d1;
reg change; //这个是用来确定的是否有电平变化的，为1表示有电平变化，为0表示没有
//定义计数的变量,用来判断电平是否持续了20ms
reg [19:0] cnt;
//CNT_MAX用来确定按键消抖的时间， CNT_MAX = 20ms / (1s / 50Mhz ) = 1000_000 ,其中20ms是消抖的时间，50Mhz是系统时钟频率
parameter CNT_MAX = 20'd1000_000;
//对输入的key信号，打两拍操作
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if(sys_rst_n == 1'b0) begin //初始状态下，d0和d1都是高电平，和按键未按下时一致
key_d0 <= 1'b1;
key_d1 <= 1'b1;
end
else begin //运行状态下，开始打拍
key_d0 <= key;
key_d1 <= key_d0;
end
end
//检测是否有电平变化,如果有的话，把change置1，否则保持0
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if(sys_rst_n == 1'b0)
change <= 1'b0;
else begin
if ( key_d0 != key_d1 )
change <= 1'b1;
else
change <= 1'b0;
end
end
//如果change为1，说明电平有变化，重新开始计数,否则cnt减一，减到0停止
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if(sys_rst_n == 1'b0)
cnt <= 20'd0;
else begin
if(change == 1'b1)
cnt <= CNT_MAX;
else begin
if(cnt >20'd0)
cnt <= cnt - 20'd1;
else
cnt <= 20'd0;
end
end
end
//如果cnt顺利的减到了1，说明电平保持了20ms，可以输出
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if(sys_rst_n == 1'b0)
key_filter <= 1'b1;
else begin
if(cnt == 20'd1)
key_filter <= key_d1;
else
key_filter <= key_filter;
end
end
endmodule
大致流程如下：首先对输入的按键信号大量拍，判断是否按键的电平是否变化，如果变化就把cnt置为最大值，如果没有变化，cnt每个系统时钟减1，直到减到1，表示抖动结束，输出当前的按键信息，否则输出上一次的按键信息。
- 按键控制蜂鸣器模块：key_beep.v
module key_beep(
input sys_clk,
input sys_rst_n,
input key_filter, //消抖后按键值
output reg beep //蜂鸣器
);
reg key_filter_d0; //将消抖后的按键值延迟一个时钟周期
wire neg_key_filter; //按键有效脉信号
//捕获按键端口的下降沿，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign neg_key_filter = (~key_filter) & key_filter_d0;
//对按键端口的数据延迟一个时钟周期
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if(!sys_rst_n)
key_filter_d0 <= 1'b1;
else
key_filter_d0 <= key_filter;
end
//每次按键按下时，就翻转蜂鸣器的状态
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if(!sys_rst_n)
beep <= 1'b1;
else if(neg_key_filter) //有效的一次按键被按下
beep <= ~beep;
else
beep <= beep;
end
endmodule
大致流程如下：对消抖之后的按键输入打一个拍，用来判断是否产生下降沿，如果产生下降沿，说明有按键按下，改变一次蜂鸣器的状态。
- 顶层按键控制蜂鸣器模块：top_key_beep.v
module top_key_beep(
input sys_clk , //系统时钟
input sys_rst_n , //系统复位，低电平有效
input key , //按键
output beep //蜂鸣器
);
parameter CNT_MAX = 20'd100_0000; //消抖时间 20ms
wire key_filter ; //按键消抖后的值
//例化按键消抖模块
key_filter #( .CNT_MAX (CNT_MAX) ) u_key_filter(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.key (key),
.key_filter (key_filter)
);
//例化蜂鸣器控制模块
key_beep u_key_beep (
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.key_filter (key_filter),
.beep (beep)
);
endmodule
5.2 测试代码
`timescale 1ns/1ns //仿真单位/精度
module tb_top_key_beep();
parameter CLK_PERIOD = 20; //时钟周期20ms
parameter CNT_MAX = 20'd10; //消抖时间 200ns
//定义输入和输出的变量
reg sys_clk;
reg sys_rst_n;
reg key;
wire beep;
//这里用来产生按键按下的信息
initial begin
sys_clk <=1'b0;
sys_rst_n <=1'b0;
key <= 1'b0;
#190
sys_rst_n <=1'b1;
key <= 1'b1; //抖动开始
#20
key <= 1'b0;
#30
key <= 1'b1;
#40
key <= 1'b0;
#30
key <= 1'b1;
#40
key <= 1'b0; //抖动结束
#300
key <= 1'b1; //松开按键，抖动开始
#40
key <= 1'b0;
#30
key <= 1'b1; //抖动结束
end
//产生时钟
always #(CLK_PERIOD/2) sys_clk = ~sys_clk;
//例化测试设计
top_key_beep #(.CNT_MAX (CNT_MAX) ) u_top_key_beep(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.key (key),
.beep (beep)
);
endmodule
【注】：这里的测试代码只针对顶层文件，底层的模块测试代码，暂时不需要。
6. 代码仿真
如下是仿真的结果：
可以看到仿真的结果和我们话的波形图是基本一致的，并且小于200ns的抖动都已经被滤除了，很不错。
7. 添加约束文件并分析综合
首先我们添加对应的约束文件
#时序约束
create_clock -period 20.000 -name sys_clk [get_ports sys_clk]
#IO 管脚约束
set_property -dict {PACKAGE_PIN M14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports beep]
set_property -dict {PACKAGE_PIN L14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports key]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN N16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
完成之后，分析综合，得到如下结果：
-
顶层模块：
可以看到里面分别由两个子模块连接，下面是子模块的内部结构。 -
按键消抖模块
- 按键控制蜂鸣器模块
下一步就是生成比特流文件，然后上板调试了，这里结果我就还是不展示了。
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