EDA实验-----4*4矩阵键盘与数码管显示测试(Quartus ‖)
目录
一、实验目的
二、实验仪器设备
三、实验原理
四、实验要求
五、实验步骤
六、实验报告
七、实验过程
1.矩阵键盘按键原理
2.数码管原理
3.分频器代码
4.电路图连接
5.文件烧录
一、实验目的
- 了解数码管的工作原理；
- 掌握4*4矩阵键盘和数码管显示的编程方法。
- 学会用于Verilog语言进行程序设计。
二、实验仪器设备
- PC机一台。
- FPGA实验开发系统一套。
三、实验原理
本实验通过扫描4*4矩阵键盘的值，在数码管上显示对应按钮的编号数据。矩阵键盘及数码管电路如下所示。
四、实验要求
- 预习教材中的相关内容。
- 阅读并熟悉本次实验的内容。
- 完成实验内容。
五、实验步骤
- 启动 Quartus II 建立一个空白工程，选择的器件为 Altera 公司的 Cyclone 系列的 EP2C8Q240C8芯片，命名为 keyarray.qpf；
- 新建一个 Schematic File 文件，命名为 keyarray.bdf分别新建 3 个 Verilog HDL File 文件，分别命名为 seg_show.v、 divclk.v、 keyarraycontrol.v。输入程序代码并保存（对应源程序 8），然后进行综合编译。若在编译过程中发现错误，则找出错误并更正错误，直至编译成功为止。
- 从设计文件创建模块（FileàCreat UpdateàCreat Symbol Files for Current File） ,seg_show.v 生成名为 seg_show.bsf； divclk.v 生成名为 divclk.bsf； keyarraycontrol.v 生成名为keyarraycontrol.bsf；
- 在 keyarray.bdf 文件中，在空白处双击鼠标左键，在 Symbol 对话框左上角的 libraries 中,分别将 Project 下的 seg_show， divclk, keyarraycontrol 模块放在图形文件 keyarray.bdf 中，加入输入、输出引脚，双击每个引脚，进行引脚命名，并锁定管脚，将未使用的引脚设置为三态输入（一定要设置，否则可能会损坏芯片）；
- 将 keyarray.bdf 设置为顶层实体。对该工程文件进行全程编译处理，若在编译过程中出现错误，则找出错误并更正，直至编译通过为止；
- 将 USB-Blaster 下载电缆的两端分别连接到 PC 机的 USB 接口和 EDA 实验箱上的 JTAG 下载口上，打开电源，执行下载命令，把程序下载到 FPGA 器件中，此时，即可在 EDA 实验箱上通过按下相应的按键使蜂鸣器发出对应的音符声响。
完整的顶层模块原理图如图所示：
六、实验报告
- 总结Verilog设计多路选择器使用的最基本与核心的语法知识。
- 对仿真的结果进行分析。
- 讨论自己在设计过程中遇到的问题、解决的过程以及收获体会。
七、实验过程
创建项目、创建Verilog文件、写代码、进行波形仿真、画出电路图、设置管脚和三态、烧录文件
1.矩阵键盘按键原理
在讲实验过程之前，先讲讲相关的原理，不知道原理的话就很难去写代码。
矩阵按键模块是先按行选取到某一行，然后再选列，跟矩阵选择某一个点的原理是一样的，如果按下这个按键的时候，此时两边的开关是接通的，这时候就会返回到一个矩阵按键回馈的信息，我们只需要去读取到这个信息，然后再根据行列的相关位置，把这个信息转换为相对于的数字返回即可。
Verilog代码（读取到矩阵按键按下的位置，输出相对于的数字）：
module keyarraycontrol(clk,rst,row,col,keydata);
input clk;
input rst;
input [3:0] row;
output reg[3:0] col;
output reg[3:0] keydata;
reg keyint;
reg [19:0] cnt;
//分频获得键盘扫描频率
always @ (posedge clk, negedge rst)
if (!rst)
cnt <= 0;
else
cnt <= cnt + 1'b1;
//将计数的最高位赋给key_clk
wire key_clk = cnt[19]; // (2^20/50M = 21)ms
//设定扫描状态判断参数
parameter NO_KEY_PRESSED = 6'b000_001; // 如果没有按键按下的时候
parameter SCAN_COL0 = 6'b000_010; // 按下第一行按键
parameter SCAN_COL1 = 6'b000_100; // 按下第二行按键
parameter SCAN_COL2 = 6'b001_000; // 按下第三行按键
parameter SCAN_COL3 = 6'b010_000; // 按下第四行按键
parameter KEY_PRESSED = 6'b100_000; // 有按键按下状态
reg [5:0] current_state, next_state; // 当前状态，，，下一个状态
always @ (posedge key_clk, negedge rst)
if (!rst)
current_state <= NO_KEY_PRESSED;
else
current_state <= next_state;
//
always @ *
case (current_state)
NO_KEY_PRESSED : //
if (row != 4'hF)
next_state = SCAN_COL0;
else
next_state = NO_KEY_PRESSED;
SCAN_COL0 : //
if (row != 4'hF)
next_state = KEY_PRESSED;
else
next_state = SCAN_COL1;
SCAN_COL1 : //
if (row != 4'hF)
next_state = KEY_PRESSED;
else
next_state = SCAN_COL2;
SCAN_COL2 : //
if (row != 4'hF)
next_state = KEY_PRESSED;
else
next_state = SCAN_COL3;
SCAN_COL3 : //
if (row != 4'hF)
next_state = KEY_PRESSED;
else
next_state = NO_KEY_PRESSED;
KEY_PRESSED : //
if (row != 4'hF)
next_state = KEY_PRESSED;
else
next_state = NO_KEY_PRESSED;
endcase
reg [3:0] col_val, row_val; //
always @ (posedge key_clk, negedge rst)
if (!rst)
begin
col<= 4'h0;
keyint<=0;
end
else
case (next_state)
NO_KEY_PRESSED : //
begin
col <= 4'h0;
keyint <= 0; //
end
SCAN_COL0 : //
col <= 4'b1110;
SCAN_COL1 :
col <= 4'b1101;
SCAN_COL2 : //
col <= 4'b1011;
SCAN_COL3 : //
col <= 4'b0111;
KEY_PRESSED : //
begin
col_val<= col; // 得到列的值
row_val<= row; // 得到行的值
keyint <= 1; //
end
endcase
always @ (posedge key_clk, negedge rst)
if (!rst)
keydata <= 16'h0000;
else
if (keyint)
case ({col_val, row_val})
8'b1110_1110 : keydata <= 8'd0;
8'b1110_1101 : keydata <= 8'd4;
8'b1110_1011 : keydata <= 8'd8;
8'b1110_0111 : keydata <= 8'd12;
8'b1101_1110 : keydata <= 8'd1;
8'b1101_1101 : keydata <= 8'd5;
8'b1101_1011 : keydata <= 8'd9;
8'b1101_0111 : keydata <= 8'd13;
8'b1011_1110 : keydata <= 8'd2;
8'b1011_1101 : keydata <= 8'd6;
8'b1011_1011 : keydata <= 8'd10;
8'b1011_0111 : keydata <= 8'd14;
8'b0111_1110 : keydata <= 8'd3;
8'b0111_1101 : keydata <= 8'd7;
8'b0111_1011 : keydata <= 8'd11;
8'b0111_0111 : keydata <= 8'd15;
default: keydata <= keydata;
endcase
else
keydata <= keydata;
endmodule
2.数码管原理
数码管分为共阴和共阳两种，通过选择器的高低电平去判断选取到的位数，所以数码管的读取是先选择位，然后再去显示亮的灯。下图所示，下面的74HC573芯片是用于选位处理的（这个芯片必须接地或者接上低电平才可以正常工作），由于上面的U1也是同一个芯片，所以这里先进行选位的时候要先把上面的那个芯片锁住，然后下面的芯片工作，这里我们不难看出这是一个共阴的数码管，每一个数码管的选位都是连接到阴极处的（接地），所以选位的时候只需要去进行连接到地，那就可以实现通电。选完位之后，就开始选段，所以这时候要锁住下面的芯片，让上面的工作，这个数码管的选段是根据某一个段通入高电平才会亮，其每一段对应的电平位置是 hgfedcba，比如通入8个电平： 0000 0110，那么就会显示数字1,因为只有b和c段亮了。
数码管生成器模拟软件：数码管 代码 生成器 (treee.com.cn)
Verilog代码（获取到相对于的数字，然后在数码管静态显示出来）：
module seg(clk, data, sel_lock, seg_lock, gpio);
input clk;
input[3:0] data;
output reg sel_lock;
output reg seg_lock;
output [7:0] gpio;
reg [7:0] gpio;
reg [3:0] disp_dat;
reg cnt;
reg [12:0] cnt2;
always@(posedge clk)
//cnt2 = cnt2 + 1;
//if (cnt <1000)
begin
cnt = cnt + 1;
cnt2 = cnt2 + 1;
if (cnt)
begin
sel_lock = 1'b1;
seg_lock = 1'b0;
gpio = 8'h00;
#20 sel_lock = 1'b0;
seg_lock = 1'b1;
end
else
begin
sel_lock = 1'b0;
seg_lock = 1'b1;
disp_dat = data;
case(disp_dat)
4'h0:gpio=8'h3f; //0 0011 1111
4'h1:gpio=8'h06; //1 0000 0110
4'h2:gpio=8'h5b; //2
4'h3:gpio=8'h4f; //3
4'h4:gpio=8'h66; //4
4'h5:gpio=8'h6d; //5
4'h6:gpio=8'h7d; //6
4'h7:gpio=8'h07; //7
4'h8:gpio=8'h7f; //8
4'h9:gpio=8'h6f; //9
4'ha:gpio=8'h77; //a
4'hb:gpio=8'h7c; //b
4'hc:gpio=8'h39; //c
4'hd:gpio=8'h5e; //d
4'he:gpio=8'h79; //e
4'hf:gpio=8'h71; //f
endcase
#20 sel_lock = 1'b1;
seg_lock = 1'b0;
end
end
endmodule
3.分频器代码
module divclk(inclk,outclk);
input inclk;
output outclk;
reg outclk;
reg [16:0] cnt;
initial
begin
cnt=0;
outclk=0;
end
always @(posedge inclk)
begin
cnt=cnt+1;
if (cnt==0)
outclk = outclk+1;
end
endmodule 4.电路图连接
写好了Verilog代码，就进行分析错误，分析无误后，我们就对这些代码生成子模块文件。然后就创建block文件开始连接电路图，电路图以及管脚配置如下：
5.文件烧录
弄好了之后就是最后一步操作了，把没用到的管脚设置三态，然后烧录文件。
点击Assignment， Device
然后点击这里，设置管脚。
选择第一个就行了，就是把多余的管脚设置三态。
然后就是编译运行文件，运行无误。
点击此处，烧录文件。
这里我们会看到，下面有一个芯片，这个也就是我们写好了的sof文件，然后就是通过你的电脑接口去连接到开发板，如果你看到上面有一个No Hardware的时候，你点击旁边的按钮进行接口设置，设置为USB接口即可（USB线连接了你的开发板就会自动显示出来的）。最后点击start就可以进行烧录了。
以上就是本期的全部内容了，我们下一次见！
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