Tiny ZYNQ板 工程四 PL部分按键功能演示（IO输入功能）v1.1

本章介绍如果读取按键的操作，来演示PL部分的IO输入功能

本文在 vivado2018.3版本上 演示， 其他版本请自行研究

备注 此文针对1.1及以上版本硬件，如果是v1.0的硬件请看对应的工程

1. 硬件介绍

先看原理图，由原理图可以看出板子上接了两个按键，并且默认是通过上拉电阻上拉到3.3V的，也就是当按键没有按下的时候 按键KEY 的信号脚是3.3V ，当按键按下后，该信号脚被拉低到GND也就是0V 同样也能看出 两个按键分别连接到了 FPGA芯片的 G15和F16管脚上

为了演示两个按键的功能，这里再引入两个指示灯，指示灯之前3节的例子里测试过，将LED的驱动脚拉高，指示灯亮，拉低指示灯熄灭，指示灯分别接在主芯片的 D18和F20脚

2.代码的编写

完整的工程创建前面已经详细图文描写了，这里略过，直接介绍程序。

正常的按键操作，在按下瞬间 电平会产生抖动，虽说只是一个按下的操作，但是实际可能电压跳变了无数次，所以正常的按键代码是需要消抖的，消抖会稍微麻烦点 这里放到本文的最后再介绍

2.1 为了方便理解输入输出的概念这里先简单写一个不带消抖的按键，去控制LED灯的程序（一般芯片间的通讯是不需要做消抖功能的，只有按键才需要做消抖）

首先 原先 LED 的驱动程序，我们用的是output ，output代表输出，所以这里我们的按键要设置成input ，代表输入

完整代码比较简单 就不详细描述了，详细见下面

程序是通过时钟信号同步的时序逻辑的方式来运行，其中LED灯的变化 和 KEY的变化仅在clk 的上升沿完成，受时钟影响

`timescale 1ns / 1ps
module KEY_TEST(
    input clk,
    output  LED1,
    output  LED2,
    input KEY1,
    input KEY2
);

reg LED1_r=0;
reg LED2_r=0;

always@(posedge clk)begin
    if(KEY1==0)LED1_r<=1'b1;
    else LED1_r<=1'B0;
   
    if(KEY2==0)LED2_r<=1'b1;
    else LED2_r<=1'B0;
end

assign LED1=LED1_r;
assign LED2=LED2_r;

endmodule

约束文件如下

set_property PACKAGE_PIN D18 [get_ports LED1]
set_property PACKAGE_PIN F20 [get_ports LED2]
set_property PACKAGE_PIN G15 [get_ports KEY1]
set_property PACKAGE_PIN F16 [get_ports KEY2]
set_property PACKAGE_PIN K17 [get_ports clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports LED1]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports LED2]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports KEY1]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports KEY2]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk]

保存后进行编译和综合，最后下载到板子上进行运行，可以看到当按下左边的按键后，左边的灯被点亮，当按下右边的按键后，右边的灯被点亮了

到这里简单的输入功能介绍完毕了。

完整工程：

也可以是组合逻辑（不推荐使用） ，LED灯的状态仅和按键有关和时钟等没有关系，这种方式就相当于FPGA内部拉了个导线并串了个非门到LED和按键之间

LED1=(KEY1==0)?1’b1:1’b0;

这种方式 也不需要创建LED对应的 REG寄存器（LED_r）缺点是各个信号间不同步 不适用于大型系统中

2.2 以上介绍的方法不带按键消抖，适用于不同芯片间传输，和简单的按键应用， 如果要让系统中按键的稳定性更大，那需要在系统中额外增加按键消抖功能

下面来介绍按键消抖

按键消抖的原由：

通常在一个按键开关在闭合时由于机械特性的原因，按键不会立马接通，在断开时也不会一下子断开，而是在闭合及断开的瞬间均伴随有多次抖动，抖动的产生会对按键的信号本身产生干扰。

一般正常按键 抖动过程是小于20ms的， 而正常的一次按键操作，即使是短按时间也都是超过50ms的。 所以我们的按键消抖时间可以以20ms作为界限。

按键消抖的思路：

a.初始状态 计数器为0，跳转到状态b

b.检测到按键按下（即电平为0）计数器开始计时 ，跳转到状态c

c.计数器计数到20ms前不停的检测，检测到电压值不为0，即认为是抖动信号，则系统回到a初始状态，如果20ms内电压值时钟为0，则认为按键有效，跳转到状态d

d.按键有效信号置位 ， 当检测到按键电平不为0时， 按键有效信号清0

（以上是判断按键按下的消抖处理思路， 如果释放按键不参与决策，则不需要做按键释放消抖，否则 按键释放也需要做消抖处理）。

接下来开始写消抖的程序：

`timescale 1ns / 1ps
module KEY_TEST(
    input clk,
    output LED,
    input KEY
);

reg [1:0]debounce_mode=2'd0;
reg [19:0]debounce_count=20'd0;

reg [1:0]KEY_r=0;
always@(posedge clk)begin
    KEY_r[1]<= KEY_r[0];
    KEY_r[0]<= KEY;
end
wire KEY_NEGEDGE=(KEY_r[1]&~KEY_r[0])?1'b1:1'b0;


reg KEY_value=0;
always@(posedge clk)begin
    if(debounce_mode==0)begin
        debounce_count<=20'd0;
        debounce_mode<=2'd1;
        KEY_value<=0;
    end
    else if(debounce_mode==1)begin
        if(KEY_NEGEDGE==1)begin
            debounce_count<=20'd0;
            debounce_mode<=2'd2;
        end
    end
    else if(debounce_mode==2)begin
        if(debounce_count>=20'd1_000_000)debounce_mode<=2'd3;
        else begin
            if(KEY==1)debounce_mode<=2'd0;
            debounce_count<=debounce_count+1'b1;
        end 
    end
    else begin
        if(KEY==1)debounce_mode<=2'd0;
        KEY_value<=1'b1;
    end
end

代码简单解读

代码里用了两位寄存器来移位KEY的按键状态，然后通过对比前后的按键变化来找到按键的下降沿（上个时刻是高电平，下个时刻为低电平，代表是下降沿，即(KEY_r[1]&~KEY_r[0])），当系统为下降沿的那个时刻KEY_NEGEDGE输出高电平

reg [1:0]KEY_r=0;
always@(posedge clk)begin
    KEY_r[1]<= KEY_r[0];
    KEY_r[0]<= KEY;
end
wire KEY_NEGEDGE=(KEY_r[1]&~KEY_r[0])?1'b1:1'b0;

debounce_mode代表当前的状态机所处的状态，其中的0，1，2，3分别代表前面写的按键消抖思路的a,b,c,d4个过程步骤，这里可以对应着看。 0代表初始化，1模式检测下降沿，如果出现下降沿进入到模式2，2开始计数并检测按键状态是否变成1，如果是则认为触发的是抖动干扰，则重新回到模式0等待下一个下降沿，如果计数器超过20ms按键时钟没变化，则认为按键有效进入模式3，模式3下改变按键的输出值KEY_value

debounce_count是一个20位的计数器，从按键的下降沿开始 计数，直到20ms停止（20ms 对应50mhz时钟的第1000000个脉冲）

KEY_value代表最终消抖后的按键值，KEY_value=1代表按键有效 并且一直持续。 这里将按键的结果通过assign LED=KEY_value; 将KEY_value寄存器的值直接映射到LED指示灯上，可以更好的看到按键按下的结果。

增加约束文件：

set_property PACKAGE_PIN D18 [get_ports LED]
set_property PACKAGE_PIN G15 [get_ports KEY]
set_property PACKAGE_PIN K17 [get_ports clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports LED]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports KEY]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk]

这里只演示一个按键，如果要做多个按键，可以用模块例化的方式 设计多个按键，这里请自行尝试

如果需要增加按键释放消抖，原理上相通，可自行研究

以下是带消抖功能的完整工程：