FPGA实验教程 按键消抖控制LED亮灭

### FPGA实验教程：按键消抖控制LED亮灭 #### 实验背景 随着数字电子技术的发展，现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，简称FPGA）作为一种重要的可编程逻辑器件，在数字系统设计中扮演着越来越重要的角色。FPGA以其高度灵活性和强大的并行处理能力，在高速数据处理、通信、图像处理等领域得到了广泛应用。对于初学者而言，通过简单的实验项目来熟悉FPGA的基本工作原理和设计流程是非常必要的。 #### 实验目的 1. **掌握Verilog HDL语言**：学会使用Verilog HDL语言进行基本的逻辑电路设计。 2. **按键控制LED**：理解如何使用按键来控制LED的亮灭，并实现按键的消抖处理。 3. **按键消抖**：了解按键消抖的重要性及其常见处理方法，包括软件消抖和硬件消抖的方法。 #### 实验环境 1. **硬件平台**：艾米电子工作室型号EP2C8Q208C8增强版开发套件。 2. **软件工具**：Quartus II 8.1开发软件。 #### 实验原理 在数字系统设计中，按键是一种常用的输入设备。然而，由于机械开关本身的特性，当按键被按下或释放时，其触点可能会产生抖动现象，导致连续多次的脉冲信号，这可能会影响系统的正常运行。因此，在实际应用中，对按键进行消抖处理是非常必要的。 - **按键抖动**：当按键按下或释放时，由于机械接触不稳定，会产生短暂的电压波动，这种现象称为按键抖动。 - **按键消抖方法**： - **软件消抖**：通常通过延时来消除抖动的影响。具体做法是在检测到按键变化后等待一段预设的时间（如5ms至10ms），然后再确认按键是否还处于该状态，如果仍然保持不变，则认为确实发生了按键动作。 - **硬件消抖**：可以通过外部电路来实现，例如使用RC滤波器等方法来消除抖动信号。 #### 实验程序分析 实验程序主要实现了按键控制LED亮灭的功能，并且通过软件消抖的方式处理了按键抖动的问题。 1. **降采样滤波**：通过一个计数器(cnt)对按键输入进行降采样处理，以滤除高频抖动。 2. **按键状态检测**：定义了一个寄存器(low_sw)，用来存储按键的稳定状态。 3. **LED控制信号**：通过检测low_sw的变化来产生LED的控制信号(led_ctrl)，进而控制LED的亮灭。 ```verilog reg low_sw; always@(posedge clk) if (!rst_n) low_sw <= 1'b1; elseif (sample_pulse) low_sw <= key; ``` 这段代码中，`sample_pulse`信号用于指示是否已经完成了对按键输入的采样。当`sample_pulse`有效时，按键的当前状态会赋值给`low_sw`寄存器，从而完成一次按键状态的检测。 4. **LED状态翻转**：当`led_ctrl`信号有效时，LED的状态发生翻转。 ```verilog reg led; always@(posedge clk or negedge rst_n) if (!rst_n) led <= 1'b0; elseif (led_ctrl) led <= ~led; ``` 这段代码中，`led`寄存器用于存储LED的状态，`led_ctrl`信号用于控制LED的状态翻转。 #### 实验步骤详解 1. **创建工程项目**：在Quartus II环境中创建新的工程，并命名为`key_debounce`。 2. **编写Verilog源文件**：创建名为`key_debounce.v`的Verilog源文件，输入上述实验程序代码，并进行编译。 3. **选择器件和配置**：在Quartus II中选择使用的FPGA芯片型号（EP2C8Q208C8），并进行必要的配置。 4. **配置引脚映射**：使用工具栏上的“Assignments→Pins”功能配置按键、LED、复位等信号的引脚。 5. **编译与仿真**：执行完整的编译过程，并进行波形仿真验证。 6. **下载程序**：使用JTAG接口将编译后的程序下载到FPGA芯片上。 7. **观察实验现象**：观察按键控制LED亮灭的效果，并确认按键消抖的有效性。 #### 总结 通过本实验，初学者可以系统地学习到FPGA的基本设计流程，包括使用Verilog HDL语言进行编程、使用Quartus II软件进行项目管理和编译、以及对按键消抖等常见问题的理解和解决。这对于深入学习FPGA技术和进行更复杂的设计项目具有非常重要的意义。