【正点原子FPGA连载】第八章按键控制蜂鸣器实验-领航者ZYNQ之FPGA开发指南

1）实验平台：正点原子领航者ZYNQ开发板
2）平台购买地址：https://item.taobao.com/item.htm?&id=606160108761
3）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/FPGA/zdyz_linhanz.html
4）对正点原子FPGA感兴趣的同学可以加群讨论：876744900
5）关注正点原子公众号，获取最新资料



蜂鸣器（Buzzer）是现代常用的一种电子发声器，主要用于产生声音信号。蜂鸣器在生活中已经得到广泛使用，其典型应用包括医疗，消防等领域的各种报警装置以及日常生活中的各种警报器等。本章我们主要学习如何使用按键来控制蜂鸣器发声。
本章包括以下几个部分：
88.1蜂鸣器简介
8.2实验任务
8.3硬件设计
8.4程序设计
8.5下载验证
8.1蜂鸣器简介
蜂鸣器按照驱动方式主要分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，其主要区别为蜂鸣器内部是否含有震荡源。一般的有源蜂鸣器内部自带了震荡源，只要通电就会发声。而无源蜂鸣器由于不含内部震荡源，需要外接震荡信号才能发声。

图 8.1.1 有源蜂鸣器（左）和无源蜂鸣器（右）

如上图所示，从外观上看，两种蜂鸣器很相似，如将两种蜂鸣器的引脚都朝上放置，能看到绿色电路板的是无源蜂鸣器，没有电路板而用黑胶封闭的一种是有源蜂鸣器。
相较于有源蜂鸣器，无源蜂鸣器成本更低，且发声频率可控。而有源蜂鸣器控制相对简单，由于内部自带震荡源，只要加上合适的直流电压即可发声。本次实验使用的蜂鸣器为有源蜂鸣器。
8.2实验任务
本节实验任务是使用领航者上的PL KEY0按键来控制蜂鸣器发声。初始状态为蜂鸣器鸣叫，按下按键后蜂鸣器停止鸣叫，再次按下开关，蜂鸣器重新鸣叫。
8.3硬件设计

图 8.3.1 蜂鸣器控制电路原理图

上图为蜂鸣器控制电路的原理图。由于ZYNQ的IO其电流驱动能力有限，所以我们在蜂鸣器的驱动电路中加入三级管Q1，以将ZYNQ的IO驱动电流放大，然后再驱动蜂鸣器。
本实验的管脚分配如下表所示,其中时钟源位于核心板上，复位按键、用户按键、蜂鸣器都位于底板上：
表 8.3.1 按键控制蜂鸣器实验管脚分配


对应的XDC约束语句如下所示：

• set_property -dict {PACKAGE_PIN G18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {beep}]
• set_property -dict {PACKAGE_PIN L20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {key}]
• set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk]
• set_property -dict {PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
  

8.4程序设计
由实验任务可知，我们只需要在按键按下时改变蜂鸣器的鸣叫状态即可。但实际上在按键按下的过程中存在按键抖动的干扰，体现在数字电路中就是不断变化的高低电平。为避免在抖动过程中采集到错误的按键状态，我们需要对按键数据进行消除抖动处理。
在这里我们先介绍一下按键消抖的原理。通常我们所使用的开关为机械弹性开关，当我们按下或松开按键时，由于弹片的物理特性，不能立即闭合或断开，往往会在断开或闭合的短时间内产生机械抖动，。消除这种抖动的过程即称为按键消抖。
按键消抖可分为硬件消抖和软件消抖。硬件消抖主要使用RS触发器或电容等方法在硬件电路上实现消抖，一般在按键较少时使用。软件消抖的原理主要为按键按下或松开后，由处理器延时5ms至20ms，然后再对按键状态进行采样并判断。如下图所示：

图 8.4.1 按键消抖原理图

由上面的分析可知，本次实验中的系统至少包含按键消抖模块和蜂鸣器控制两个模块。系统框图如下图所示：

图 8.4.2 按键控制蜂鸣器系统框图

图 8.4.2中，按键消抖模块用于消除按键的抖动，消抖之后的信号用于控制蜂鸣器的鸣叫状态。
程序中各模块端口及信号连接如下图所示：

图 8.4.3 端口及信号连接图

由上图系统框图可知，代码部分包括三个模块。顶层模块（top_key_beep），作用为完成对另外两个模块的例化。按键消抖模块（key_debounce），主要用于对按键进行抖动滤除。按键控制蜂鸣器模块（beep_control），识别按键按下的那一刻，并对蜂鸣器的鸣叫状态进行翻转。
顶层模块代码如下：

• 1 module top_key_beep(
• 2 input sys_clk ,
• 3 input sys_rst_n ,
• 4
• 5 input key ,
• 6 output beep
• 7 );
• 8
• 9 //wire define
• 10 wire key_value ;
• 11 wire key_flag ;
• 12
• 13 //*****************************************************
• 14 //** main code
• 15 //*****************************************************
• 16
• 17 //例化按键消抖模块
• 18 key_debounce u_key_debounce(
• 19 .sys_clk (sys_clk),
• 20 .sys_rst_n (sys_rst_n),
• 21
• 22 .key (key),
• 23 .key_value (key_value),
• 24 .key_flag (key_flag)
• 25 );
• 26
• 27 //例化蜂鸣器控制模块
• 28 beep_control u_beep_control(
• 29 .sys_clk (sys_clk),
• 30 .sys_rst_n (sys_rst_n),
• 31
• 32 .key_value (key_value),
• 33 .key_flag (key_flag),
• 34 .beep (beep)
• 35 );
• 36
• 37 endmodule
  

在顶层模块中例化了按键消抖模块和按键控制蜂鸣器模块。
按键消抖模块代码如下：

• 1 module key_debounce(
• 2 input sys_clk ,
• 3 input sys_rst_n ,
• 4
• 5 input key , //外部输入的按键值
• 6 output reg key_value , //消抖后的按键值
• 7 output reg key_flag //消抖后的按键值的效标志
• 8 );
• 9
• 10 //reg define
• 11 reg [19:0] cnt ;
• 12 reg key_reg ;
• 13
• 14 //*****************************************************
• 15 //** main code
• 16 //*****************************************************
• 17
• 18 //按键值消抖
• 19 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
• 20 if(!sys_rst_n) begin
• 21 cnt <= 20'd0;
• 22 key_reg <= 1'b1;
• 23 end
• 24 else begin
• 25 key_reg <= key; //将按键值延迟一拍
• 26 if(key_reg != key) begin //检测到按键状态发生变化
• 27 cnt <= 20'd100_0000; //则将计数器置为20'd100_0000，
• 28 //即延时100_0000 * 20ns(1s/50MHz) = 20ms
• 29 end
• 30 else begin //如果当前按键值和前一个按键值一样，即按键没有发生变化
• 31 if(cnt > 20'd0) //则计数器递减到0
• 32 cnt <= cnt - 1'b1;
• 33 else
• 34 cnt <= 20'd0;
• 35 end
• 36 end
• 37 end
• 38
• 39 //将消抖后的最终的按键值送出去
• 40 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
• 41 if(!sys_rst_n) begin
• 42 key_value <= 1'b1;
• 43 key_flag <= 1'b0;
• 44 end
• 45 //在计数器递减到1时送出按键值
• 46 else if(cnt == 20'd1) begin
• 47 key_value <= key;
• 48 key_flag <= 1'b1;
• 49 end
• 50 else begin
• 51 key_value <= key_value;
• 52 key_flag <= 1'b0;
• 53 end
• 54 end
• 55
• 56 endmodule
  

代码中的第26行，每检测到按键被按下或松开，就让计数器从100_0000开始递减，时长20ms。在这20ms期间，每当有抖动产生，计数器就被重置回100_0000，即重新开始计时20ms。代码中的第46行，只有在计数器递减到1时，即此时计数器计时完了20ms，才会寄存按键的值。这样，每当按键被按下或松开，20ms内的抖动就被消除了。
蜂鸣器控制模块的代码如下：

• 1 module beep_control(
• 2 input sys_clk,
• 3 input sys_rst_n,
• 4
• 5 input key_value,
• 6 input key_flag,
• 7 output reg beep
• 8 );
• 9
• 10 //*****************************************************
• 11 //** main code
• 12 //*****************************************************
• 13
• 14 //每次按键按下时，就翻转蜂鸣器的状态
• 15 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
• 16 if(!sys_rst_n)
• 17 beep <= 1'b1;
• 18 else if(key_flag && (key_value == 1'b0))
• 19 beep <= ~beep;
• 20 end
• 21
• 22 endmodule
  

beep初始状态为高电平，蜂鸣器鸣叫。当key_flag拉高表明消抖之后的按键数据有效，此时若检测到按键值为0（即按键被按下），就将beep状态取反，以改变蜂鸣器的鸣叫状态。
8.5下载验证
连接开发板的电源和下载器，并打开电源开关。在工程编译之后，将生成的bit文件下载到开发板中。
下载完成后，蜂鸣器处于鸣叫状态。然后按下按键PL_KEY0，蜂鸣器停止鸣叫。再次按下按键，蜂鸣器再次开始鸣叫。如下图所示：

图 8.5.1 实验现象