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--- 8._计时控制 [2017/03/23 00:46]
zhijun 创建
+++ 8._计时控制 [2021/10/03 01:29]
gongyu
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-=====计时控制=====
+## 计时控制
 在之前的实验中我们掌握了如何进行时钟分频、如何进行数码管显示与按键消抖的处理，那么在本节实验之中，我们将会实现一个篮球赛场上常见的24秒计时器。
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-====硬件说明====
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-按键是一种常用的电子开关，电子设计中不可缺少的输入设备。当按下时使开关导通，松开时则开关断开，内部结构是靠金属弹片来实现通断。
-\\
-**按键抖动的原理**
-\\
-{{ :抖动原理.png |抖动原理}}
-  - 抖动的产生 ：通常的按键所用的开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了不产生这种现象而作的措施就是按键消抖。
+### 1. 硬件说明
-  - 消除抖动的措施：一般我们采用软件方法消抖。即检测到按键按下动作之后进行10ms~20ms左右的延时，当前沿的抖动消失之后再一次检测按键的状态。如果仍然是按下的电平状态，则认为这是一次真正的按键按下；同样检测到按键释放，也要做10ms~20ms延时，检测到后沿抖动消失后认为是一个完整的按键弹起过程。
-  - 消抖的好处：执行按键消抖有两个好处，
-     - 消除误触发：我们想通过按键来翻转信号（例如按下一次led亮，在按一次led灭），如果没有进行消抖，则会产生很多误触发造成不必要的翻转。
-     - 记录按键次数：执行按键消抖可以让我们记录按键动作的次数，在很多应用里这非常有用。
-\\
+在之前的实验中我们为读者详细介绍过小脚丫MXO2板卡上的按键、数码管、LED等硬件外设，在此不再赘述。本节将实现由数码管作为显示模块，按键作为控制信号的输入(包含复位信号和暂停信号)，Lattice MXO2 4000HC作为控制核心的篮球读秒系统，实现框图如下：
-在[[1. 点亮LED|点亮LED]]实验中我们知道了小脚丫板子上按键的设计，当按键未被按下时，连接到FPGA管脚认为是高电平；当按键被按下时，连接到FPGA管脚认为是低电平。
-\\
+{{ ::计时器框图.png?800 |}}
-要消除按键的抖动，我们需要去扫描按键，也就是不断的去采集按键的状态。软件消抖时我们一般只考虑按键按下时的抖动，而放弃对释放时抖动的消除。用系统时钟（频率较高）去采集按键状态，当检测到按下时用计数器延时20ms，再去检测按键状态，如果这时仍为按下状态，确认是一次按下动作，否侧的话认为无按键按下。如何检测按键状态变化就需要用到脉冲边沿检测的方法。
 \\
-**脉冲边沿检测**
-\\
+### 2. Verilog代码
-检测按键按下时要用到脉冲边沿检测的方法，捕捉信号的突变、捕捉时钟的上升下降沿等经常会用到这种方法。简单地说就是用一个频率更高的时钟去触发要检测的信号，用两个寄存器去储存相邻两个时钟采集到的值，然后进行异或运算，如果不为零，代表发生了上升沿或者下降沿。
-\\
-在按键消抖的过程中，同样运用了脉冲边沿检测。用两个寄存器储存相邻时钟采集的值（例如data_pre,data）,然后将data取反与前一个值相与（state=data_pre&（~data））,如果为1，则判断有下降沿既按键按下由高到低；否则无变化。
-\\
-将一个信号由连续时钟采集，相邻两个钟触发的值存入两个寄存器。理解verilog实现这个过程要充分了解其中的[[非阻塞赋值]]。
-\\
-====Verilog代码====
-------
 <code verilog>
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 // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
 // ********************************************************************
-// File name    : debounce.v
+// File name    : counter.v
-// Module name  : debounce
+// Module name  : counter
 // Author       : STEP
 // Description  :
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 // V1.0     |2017/03/02   |Initial ver
 // --------------------------------------------------------------------
-// Module Function:按键消抖
+// Module Function:24秒倒计时计数器
+module counter
+(
+	clk				,    //时钟
+	rst				,    //复位
+	hold			,    //启动暂停按键
+	seg_led_1		,    //数码管1
+	seg_led_2		,    //数码管2
+	led                  //led
+);
+	input 	clk,rst;
+	input	hold;
+	output 	[8:0]	seg_led_1,seg_led_2;
+	output 	reg	[7:0]	led;
+	wire		clk1h;        //1Hz时钟
+	wire		hold_pulse;   //按键消抖后信号
+	reg			hold_flag;    //按键标志位
+	reg			back_to_zero_flag	; //计时完成信号
+	reg   		[6:0]   seg		[9:0];
+	reg			[3:0]	cnt_ge;      //个位
+	reg			[3:0]	cnt_shi;     //十位
+	initial
+	begin
+		seg[0] = 7'h3f;	   //  0
+		seg[1] = 7'h06;	   //  1
+		seg[2] = 7'h5b;	   //  2
+		seg[3] = 7'h4f;	   //  3
+		seg[4] = 7'h66;	   //  4
+		seg[5] = 7'h6d;	   //  5
+		seg[6] = 7'h7d;	   //  6
+		seg[7] = 7'h07;	   //  7
+		seg[8] = 7'h7f;	   //  8
+		seg[9] = 7'h6f;	   //  9
+/*若需要显示A-F,解除此段注释即可
+		seg[10]= 7'hf7;	   //  A
+		seg[11]= 7'h7c;	   //  b
+		seg[12]= 7'h39;    //  C
+		seg[13]= 7'h5e;    //  d
+		seg[14]= 7'h79;    //  E
+		seg[15]= 7'h71;    //  F*/
+	end
-module debounce (clk,rst,key,key_pulse);
+	// 启动/暂停按键进行消抖
+	debounce  U2 (
+				.clk(clk),
+				.rst(rst),
+				.key(hold),
+				.key_pulse(hold_pulse)
+				);
+	// 用于分出一个1Hz的频率
+	divide #(.WIDTH(32),.N(12000000)) U1 (
+			.clk(clk),
+			.rst_n(rst),
+			.clkout(clk1h)
+			);
+    //按键动作标志信号产生
+	always @ (posedge hold_pulse)
+		if(!rst==1)
+			hold_flag <= 0;
+		else
+			hold_flag <= ~hold_flag;
+	//计时完成标志信号产生
+	always @ (*)
+		if(!rst == 1)
+			back_to_zero_flag <= 0;
+		else if(cnt_shi==0 && cnt_ge==0)
+			back_to_zero_flag <= 1;
+		else
+			back_to_zero_flag <= 0;
+    //24秒倒计时控制
+	always @ (posedge clk1h or negedge rst) begin
+		if (!rst == 1) begin
+			cnt_ge <= 4'd4;
+			cnt_shi <= 4'd2;
+			end
+		else if(hold_flag == 1)begin
+			cnt_ge <= cnt_ge;
+			cnt_shi <= cnt_shi;
+			end
+		else if(cnt_shi==0 && cnt_ge==0) begin
+			cnt_shi <= cnt_shi;
+			cnt_ge <= cnt_ge;
+			end
+		else if(cnt_ge==0)begin
+			cnt_ge <= 4'd9;
+			cnt_shi <= cnt_shi-1;end
+		else
+			cnt_ge <= cnt_ge -1;
+		end
+	//计时完成点亮led
+	always @ ( back_to_zero_flag)begin
+		if (back_to_zero_flag==1)
+			led = 8'b0;
+		else
+			led = 8'b11111111;
+		end
-        parameter       N  =  1;                      //要消除的按键的数量
+	assign seg_led_1[8:0] = {2'b00,seg[cnt_ge]};
+	assign seg_led_2[8:0] = {2'b00,seg[cnt_shi]};
-	input             clk;
-        input             rst;
+endmodule
-        input 	[N-1:0]   key;                        //输入的按键
-	output  [N-1:0]   key_pulse;                  //按键动作产生的脉冲
-        reg     [N-1:0]   key_rst_pre;                //定义一个寄存器型变量存储上一个触发时的按键值
-        reg     [N-1:0]   key_rst;                    //定义一个寄存器变量储存储当前时刻触发的按键值
-        wire    [N-1:0]   key_edge;                   //检测到按键由高到低变化是产生一个高脉冲
-        //利用非阻塞赋值特点，将两个时钟触发时按键状态存储在两个寄存器变量中
-        always @(posedge clk  or  negedge rst)
-          begin
-             if (!rst) begin
-                 key_rst <= {N{1'b1}};                //初始化时给key_rst赋值全为1，{}中表示N个1
-                 key_rst_pre <= {N{1'b1}};
-             end
-             else begin
-                 key_rst <= key;                     //第一个时钟上升沿触发之后key的值赋给key_rst,同时key_rst的值赋给key_rst_pre
-                 key_rst_pre <= key_rst;             //非阻塞赋值。相当于经过两个时钟触发，key_rst存储的是当前时刻key的值，key_rst_pre存储的是前一个时钟的key的值
-             end
-           end
-        assign  key_edge = key_rst_pre & (~key_rst);//脉冲边沿检测。当key检测到下降沿时，key_edge产生一个时钟周期的高电平
-        reg	[17:0]	  cnt;                       //产生延时所用的计数器，系统时钟12MHz，要延时20ms左右时间，至少需要18位计数器
-        //产生20ms延时，当检测到key_edge有效是计数器清零开始计数
-        always @(posedge clk or negedge rst)
-           begin
-             if(!rst)
-                cnt <= 18'h0;
-             else if(key_edge)
-                cnt <= 18'h0;
-             else
-                cnt <= cnt + 1'h1;
-             end
-        reg     [N-1:0]   key_sec_pre;                //延时后检测电平寄存器变量
-        reg     [N-1:0]   key_sec;
-        //延时后检测key，如果按键状态变低产生一个时钟的高脉冲。如果按键状态是高的话说明按键无效
-        always @(posedge clk  or  negedge rst)
-          begin
-             if (!rst)
-                 key_sec <= {N{1'b1}};
-             else if (cnt==18'h3ffff)
-                 key_sec <= key;
-          end
-       always @(posedge clk  or  negedge rst)
-          begin
-             if (!rst)
-                 key_sec_pre <= {N{1'b1}};
-             else
-                 key_sec_pre <= key_sec;
-             end
-           end
-       assign  key_pulse = key_sec_pre & (~key_sec);
-endmodule
 </code>
@@ 行 127: / 行 145: @@
 \\
-以上就是一个N位按键的消抖程序，如果有按键按下会输出一个时钟周期的高脉冲。下面我们可以试试用这个按键消抖的输出来触发LED的显示，既按键一次LED翻转。你也可以不加按键消抖试试用按键来控制LED（按一次变亮，再按一次灭掉）。
+### 3. 引脚分配
-\\
-下面的程序是例化调用debounce模块来控制LED
-\\
-<code verilog>
-// ********************************************************************
-// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
-// ********************************************************************
-// File name    : top.v
-// Module name  : top
-// Author       : STEP
-// Description  :
-// Web          : www.stepfpga.com
-//
-// --------------------------------------------------------------------
-// Code Revision History :
-// --------------------------------------------------------------------
-// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
-// V1.0     |2017/03/02   |Initial ver
-// --------------------------------------------------------------------
-// Module Function:进过按键消抖后控制led显示翻转
-module top (clk,rst,key,led);
-        input             clk;
-        input             rst;
-        input 	          key;
-	output   reg      led;
-        wire              key_pulse;
-        //当按键按下时产生一个高脉冲，翻转一次led
-        always @(posedge clk  or  negedge rst)
-           begin
-             if (!rst)
-		led <= 1'b1;
-	     else if (key_pulse)
-		led <= ~led;
-	     else
-                led <= led;
-	   end
-         //例化消抖module，这里没有传递参数N，采用了默认的N=1
-         debounce  u1 (
-                       .clk (clk),
-                       .rst (rst),
-                       .key (key),
-                       .key_pulse (key_pulse)
-                       );
- endmodule
-</code>
-\\
-====引脚分配====
--------
 设置好复位键可消抖的按键，编译完成后下载，通过按键就可以翻转LED。你也可以定义多个按键控制多个LED，还可以比较不加按键消抖情况下实际的效果对比如何。
 \\
@@ 行 187: / 行 152: @@
 |clk             |C1               ^
 |rst             |L14              ^
-|key             |N14             ^
+|hold            |M13              ^
-|led             |N13              ^
+|seg_led_1[0]    |C12              ^
+|seg_led_1[1]    |B14              ^
+|seg_led_1[2]    |J1              ^
+|seg_led_1[3]    |H1              ^
+|seg_led_1[4]    |H2              ^
+|seg_led_1[5]    |B12              ^
+|seg_led_1[6]    |A11              ^
+|seg_led_1[7]    |K1              ^
+|seg_led_1[8]    |A12              ^
+|seg_led_2[0]    |A10              ^
+|seg_led_2[1]    |C11              ^
+|seg_led_2[2]    |F2               ^
+|seg_led_2[3]    |E1               ^
+|seg_led_2[4]    |E2               ^
+|seg_led_2[5]    |A9               ^
+|seg_led_2[6]    |B9               ^
+|seg_led_2[7]    |F1               ^
+|seg_led_2[8]    |C9               ^
+### 4. 小结
-====小结====
+本实验主要介绍了计时器的实现方式，并且包含了复位与暂停功能，读者可自行修改程序内部的时钟参数来调节计时时间。下一节将介绍PWM调制技术的应用[[9. 呼吸灯|呼吸灯]]。
-------
-在本实验学习了如何进行按键的消抖。在很多应用情况下我们必须采取消抖才能更好地控制逻辑。在下一个实验[[8. 计时控制|计时控制]]中我们将学习计时的显示和控制，在这里我们要用到按键的消抖以及数码管，我们甚至可以用小脚丫做一个计时器甚至电子表。