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EDA实验-----4*4矩阵键盘与数码管显示测试

news 来源：原创 2024/5/14 11:03:55

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 elsekeydata <= 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)begincnt = cnt + 1;	cnt2 = cnt2 + 1;if (cnt)beginsel_lock = 1'b1;seg_lock = 1'b0;		gpio = 8'h00;#20 sel_lock = 1'b0;seg_lock = 1'b1;	endelsebeginsel_lock = 1'b0;seg_lock = 1'b1;		disp_dat = data;		case(disp_dat)		4'h0:gpio=8'h3f;	//0 0011 11114'h1:gpio=8'h06;	//1 0000 01104'h2:gpio=8'h5b;	//24'h3:gpio=8'h4f;	//34'h4:gpio=8'h66;	//44'h5:gpio=8'h6d;	//54'h6:gpio=8'h7d;	//64'h7:gpio=8'h07;	//74'h8:gpio=8'h7f;	//84'h9:gpio=8'h6f;	//94'ha:gpio=8'h77;	//a4'hb:gpio=8'h7c;	//b4'hc:gpio=8'h39;	//c4'hd:gpio=8'h5e;	//d4'he:gpio=8'h79;	//e4'hf:gpio=8'h71;	//fendcase#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;initialbegincnt=0;outclk=0;endalways @(posedge inclk)begincnt=cnt+1;if (cnt==0)outclk = outclk+1;end
endmodule