FPGA开发——按键控制LED的实现

一、概述

在上一篇文章中我们学习了按键的相关消抖及其使用，在这篇文章当中我们就针对通过按键实现LED的控制。

1、按键原理图

2、基本框架

通过我们前面编写的按键消抖的文件和LED文件将按键和LED两个模块进行交互，从而达到按键控制LED的目的。

二、代码编写

1、首先是按键相关设计文件的编写，新建key.v，如下：

//状态机实现
module key (
    input           clk     ,
    input           rst_n   ,
    input           key_in  ,   //输入原始的按键信号
    output  reg     key_out     //输出处理之后的按键信号
);
//参数定义
    localparam  IDLE        = 4'b0001,//空闲
                JITTLE0     = 4'b0010,//滤除第一次抖动
                DOWN        = 4'b0100,//稳定
                JITTLE1     = 4'b1000;//滤除第二次抖动

    parameter   TIME_20MS = 1_000_000;//需要计数的值，20ms

//内部信号
    reg  [3:0]   state_c;//现态
    reg  [3:0]   state_n;//次态

    reg  [19:0] cnt_20ms;//计数20ms
    wire        add_cnt_20ms;
    wire        end_cnt_20ms;

    wire        nedge   ;//下降沿信号
    wire        pedge   ;//上升沿信号
    reg         key_in_r1  ;//  同步打拍

//状态转移 同步时序逻辑描述状态转移
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if(!rst_n)
            state_c <= IDLE;
        else
            state_c <= state_n;
    end

//状态转移条件 组合逻辑
    always @(*) begin
        case (state_c)//一定是case  现态
            IDLE:begin
                if(nedge)
                    state_n = JITTLE0;
                else
                    state_n = state_c;
            end
            JITTLE0:begin
                if(end_cnt_20ms)
                    state_n = DOWN;
                else
                    state_n = state_c; 
            end
            DOWN:begin
                if(pedge)
                    state_n = JITTLE1;
                else
                    state_n = state_c;
            end
            JITTLE1  :begin
                if(end_cnt_20ms)
                    state_n = IDLE;
                else
                    state_n = state_c;  
            end   
            default: state_n = IDLE;
        endcase
    end

//20ms计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        cnt_20ms <= 0;
    else if(add_cnt_20ms)begin
        if(end_cnt_20ms)
            cnt_20ms <= 0;
        else
            cnt_20ms <= cnt_20ms + 1;
    end
end

assign add_cnt_20ms = (state_c == JITTLE0) || (state_c == JITTLE1);
assign end_cnt_20ms = add_cnt_20ms && cnt_20ms == TIME_20MS - 1;

//下降沿  上升沿
//同步  打拍
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 
    if(!rst_n)begin
        key_in_r1 <= 2'b11;
       
    end 
    else begin 
        key_in_r1 <= key_in;      //同步按键输入信号
         
    end 
end
    //r1当前状态
assign nedge = ~key_in_r1 && key_in;
assign pedge = key_in_r1 && ~key_in;

//key_out
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if(!rst_n)
            key_out <= 0;
        else if(end_cnt_20ms &&(state_c== JITTLE1))
            key_out <= ~key_in_r1;//有效脉冲 20ns
        else 
            key_out <= 0;
    end

endmodule

2、LED相关设计文件编写

新建led_ctrl.v文件

module led_ctrl(
    input               clk         ,
    input               rst_n       ,
    input          key_flag    ,//输入原始的按键信号
    output  reg    led     //输出处理之后的按键信号
);
always @(posedge clk or negedge rst_n )begin
    if(!rst_n)
        led<=1'b0;
    else if(key_flag)
        led<=~led;
end
endmodule

3、顶层文件编写

在顶层文件中，使用一个中间变量key_out将按键中的输出赋值给LED模块中的按键标志位输入key_flag。

module top(
    input  clk,
    input  rst_n,
    input  key_in,
    output  led

);
wire   key_out;
key key_inst(
    /*input          */ .clk     (clk   ),
    /*input          */ .rst_n   (rst_n ),
    /*input          */ .key_in  (key_in),   //输入原始的按键信号
    /*output  reg    */ .key_out (key_out)    //输出处理之后的按键信号
);

led_ctrl led_inst(
    /*input          */ .clk     (clk   ),
    /*input          */ .rst_n   (rst_n ),
    /*input          */ .led     (led),   //输入原始的按键信号
    /*output  reg    */ .key_flag (key_out)    //输出处理之后的按键信号
);
endmodule

4、测试文件编写

`timescale 1ns/1ns

module top_tb ;

    reg         clk    ;
    reg         rst_n  ;
    reg         key_in ;
    wire        led    ;

defparam top_inst.key_inst.TIME_20MS = 1000;

top top_inst(
    .clk            (clk        ),
    .rst_n          (rst_n      ),
    .key_in         (key_in     ),   //输入原始的按键信号
    .led            (led    )    //输出处理之后的按键信号
);
//激励信号产生
parameter CLK_CLY = 20;
//时钟
initial clk=1;
always #(CLK_CLY/2)clk=~clk;

//复位
initial begin
    rst_n= 1'b0;
    #(CLK_CLY*3);
    #5;//复位结束避开时钟上升沿
    rst_n= 1'b1;
end

//激励
integer i;
initial repeat(5)begin
    key_in = 1;//模拟按键未按下
    i ={$random}%6;//给i赋值0-5
    #(CLK_CLY*500);//等待复位时间结束
    #3;
    repeat (3)begin 
        key_in = 0;//前按键抖动开始
        #(CLK_CLY*1);
        //一个5-10ms的抖动时间
        repeat ((i+5)*50)begin
            key_in = $random;
            #(CLK_CLY*1);
        end 
        key_in = 0;//按键稳定
        #(CLK_CLY*100*50);

        //后抖动开始
        key_in = 1;
        #(CLK_CLY*1);
        repeat ((i+5)*50)begin
            key_in = $random;
            #(CLK_CLY*1);
        end 
        key_in = 1;//按键稳定
        #(CLK_CLY*10*500);
    end
    
    //模拟意外抖动
    repeat (3)begin 
        repeat ((i+5)*50)begin
            key_in = $random;
            #(CLK_CLY*1);
        end 
        key_in = 1;//按键稳定
        #(CLK_CLY*500);

    end 
    $stop;
end
endmodule

三、仿真波形图

通过波形图我们可以看见当按键按下一次，LED状态切换一次，实现了按键控制LED的功能实现。