1）实验平台：正点原子领航者ZYNQ开发板 2)平台采购地址：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/thread-301505-1-1.html 4)正点原子FPGA感兴趣的同学可以加群讨论:99424016 5)关注正点原子微信官方账号，获取最新信息更新 
第三十章 IO扩展模块实验
随着时间的推移，正点原子 FPGA 开发板的款式越来越多，外设也越来越丰富。从简单的按键流水灯到复杂的光口网口，基本上可以说是满足了广大需求 FPGA 工程师学习和项目开发。但在实际的项目开发过程中，往往会出现一些按钮，LED 灯、数码管、拨码开关等基本设备不足，因此我们正点原子专门推出 IO 本模块旨在帮助您丰富按键，LED 灯具、数码管、拨码开关等基本设备，方便大家灵活开发实际项目。 本章包括以下几个部分： 30.1 简介 30.2 实验任务 30.3 硬件设计 30.4 软件设计 30.5 下载验证 30.1 简介 正点原子推出 IO 包括扩展板 8 个 LED、一个 x8 拨码开关，四个八段数字管和一个 4x4 的矩阵 键盘。八颗LED可以使用FPGA单独控制也可与拨码开关配合使用，当然拨码开关也可用于控制其它外设。四个八段数码管也可以使用 FPGA 当开发板上的数字管不够时，可以单独控制 IO 用扩展板代替。最后就是 4x4 矩阵键盘，共 16 个按键可以提供非常灵活的按键控制，当开发板上的按键不够用的时候就可以使用 IO 扩展板提供额外的按键控制。 30.2 实验任务 本节实验任务是通过拨码开关控制 IO 扩展板上的 LED 灯亮灭，然后在数码管上显示矩阵键盘的按键号。 30.3 硬件设计 IO 扩展板模块的原理图如下：
图 7.5.13.1 IO扩展板硬件原理图 从上图可以看出，IO 8个扩展口模块LED灯是共阴极接法，其8个阳极全部引出，可通过 FPGA（其 他的单片机芯片也可以)这八个 LED 控制灯。拨码开关（Switch）当拨码开关断开时，它也是一种共阴极连接另一端全部上拉。 SW0~SW7 都是高电平，当拨码开关关闭合时 SW0~SW7 全部是低电平。我们可以使用拨码开关来控制其他一些外设。例如，在本节实验中，我们可以使用拨码开关来控制颗粒 LED 灯。大家都很熟悉数码管，IO 扩展模块的 4 八段数字管的位选也是共阴极接法，可以使用引出位选信号和段选信号 FPGA(其他单片机芯片也可以)控制。矩阵键盘是由的 16 由按钮组成的矩阵分为四行四列， 四行都是 3.3V 上拉，四列全部引出端口 8 一个端口(四行四列 8 所有端口都可以连接到 FPGA上(其他单片机芯片也可以)可以通过 FPGA(其它单片机芯片也可以)扫描矩阵键盘，判断哪个按钮被按下，下面将详细说明扫描方法。最后是一排 20x2 我们所有的端口都连接到这个针上，每个人都在使用它 IO 扩展板时，可将排针插入正原子 FPGA 开发板的扩展口上去，这样每个端口都可以和谐 FPGA IO 引脚相连。 IO 扩展板实物图如下图所示 所示。
图 7.5.13.2 实物图 本实验中，IO 膨胀板管脚的分布如下表所示。 表 30.3.1引脚分配表 sys_clk input U18 频率：50Mhz sys_rst_n input N16 系统复位，低电平有效 sel_t[0] output P19 选择数字管位信号sel_t[0] sel_t[1] output T20 选择数字管位信号sel_t[1] sel_t[2] output M20 选择数字管位信号sel_t[2] sel_t[3] output K14 选择数字管位信号sel_t[3] seg_led_t[0] output J14 数字管a段选择信号seg_led_t[0] seg_led_t[1] output N18 选择数码管b段的信号seg_led_t[1] seg_led_t[2] output M19 选择数字管c段的信号seg_led_t[2] seg_led_t[3] output L16 数字管d段选择信号seg_led_t[3] seg_led_t[4] output M15 选择数字管e段的信号seg_led_t[4] seg_led_t[5] output N20 选择数码管f段的信号seg_led_t[5] seg_led_t[6] output U20 选择数字管g段的信号seg_led_t[6] seg_led_t[7] output U19 选择数码管h段的信号seg_led_t[7] led[0] output N17 LED灯 led[1] output P18 LED灯 led[2] output V20 LED灯 led[3] output W20 LED灯 led[4] output R17 LED灯 led[5] output R16 LED灯 led[6] output W19 LED灯 led[7] output W18 LED灯 swi[0] input V17 拨码开关 swi[1] input V18 拨码开关 swi[2] input T17 拨码开关 swi[3] input R18 拨码开关 swi[4] input Y18 拨码开关 swi[5] input Y19 拨码开关 swi[6] input P15 拨码开关 swi[7] input P16 拨码开关 key_row[0] input T14 行扫描矩阵键盘 key_row[1] input U17 行扫描矩阵键盘 key_row[2] input Y16 行扫描矩阵键盘 key_row[3] input T15 行扫描矩阵键盘 key_col[0] output W16 扫描矩阵键盘列 key_col[1] output T16 扫描矩阵键盘列 key_col[2] output Y17 扫描矩阵键盘列 key_col[3] output V16 扫描矩阵键盘列 对应的XDC约束语句如下：
set_property -dict {
PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk] set_property -dict {
PACKAGE_PIN N16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n] set_property -dict {
PACKAGE_PIN J14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports seg_led_t[0]] set_property -dict {
/span>PACKAGE_PIN N18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports seg_led_t[1]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN M19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports seg_led_t[2]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN L16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports seg_led_t[3]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN M15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports seg_led_t[4]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN N20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports seg_led_t[5]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN U20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports seg_led_t[6]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN U19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports seg_led_t[7]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN P19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sel_t[0]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN T20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sel_t[1]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN M20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sel_t[2]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN K14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sel_t[3]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN T14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports key_row[0]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN U17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports key_row[1]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN Y16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports key_row[2]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN T15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports key_row[3]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN W16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports key_col[0]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN T16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports key_col[1]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN Y17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports key_col[2]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN V16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports key_col[3]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN N17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[0]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN P18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[1]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN V20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[2]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN W20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[3]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN R17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[4]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN R16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[5]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN W19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[6]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN W18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led[7]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN V17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports swi[0]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN V18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports swi[1]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN T17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports swi[2]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN R18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports swi[3]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN Y18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports swi[4]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN Y19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports swi[5]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN P15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports swi[6]] set_property -dict {
PACKAGE_PIN P16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports swi[7]] 30.4 程序设计 根据实验任务，我们画出程序框图，整个程序框架由三个子模块构成，第一个模块是矩阵键盘扫描模块，通过行列扫描检测按键的按下情况，并将按下的那个按键编号传递给数码管模块。数码管模块会把按键的编号显示在数码管上。拨码开关模块其实是和LED模块连在一起的，在代码中我们会直接把拨码开关的值赋给LED灯，因此当拨码开关断开swi端口被上拉，LED 灯点亮，反之LED灯熄灭。系统框图如下图所示:
图 7.5.13.1 程序框图 各模块端口及信号连接如下图所示：
图 7.5.13.2 RTL视图 由上图可知，FPGA 部分包括四个模块，顶层模块（top_matrix_keyboard）、矩阵键盘扫描模块（key_4x4）、数码管显示模块（seg_led）、拨码开关控制 led 灯模块（swi_led）。在顶层模块中完成对其它三个模块的例化，并实现各模块之间的信号传递。 1)顶层模块（top_matrix_keyboard）：顶层模块主要是对其它三个子模块进行例化，实现子模块间的信号连接。 2)矩阵键盘扫描模块（key_4x4）：矩阵键盘扫描模块主要是对IO扩展板上的矩阵键盘进行行列扫描， 定位出哪一个按键被按下并将其对应的编号传递给数码管显示模块。 3)数码管显示模块（seg_led）：接收矩阵键盘扫描模块（key_4x4）传递出的按键编号值并将数据显示出来。 4)拨码开关模块（swi_led）：主要检测拨码开关的开合状态，并将状态值赋给 led 灯控制 led 灯的亮灭。 顶层模块的代码如下：
1 module top_matrix_keyboard(
2 input sys_clk ,
3 input sys_rst_n ,
4 input [3:0] key_row ,
5 input [7:0] swi ,
6 output [3:0] key_col ,
7 output [3:0] sel_t ,
8 output [7:0] seg_led_t ,
9 output [7:0] led
10
11 );
12
13 //wire define
14 wire [3:0] key_value ;
15 wire key_flag ;
16
17 //*****************************************************
18 //** main code
19 //*****************************************************
20
21 //矩阵键盘扫描模块
22 key_4x4 u_key_4x4(
23 .sys_clk (sys_clk ),
24 .sys_rst_n (sys_rst_n),
25 .key_row (key_row ),
26 .key_col (key_col ),
27 .key_value (key_value),
28 .key_flag (key_flag )
29 );
30
31 //数码管显示模块
32 seg_led u_seg_led(
33 .clk (sys_clk ),
34 .rst_n (sys_rst_n),
35 .key_value (key_value),
36 .key_flag (key_flag ),
37 .sel_t (sel_t ),
38 .seg_led_t (seg_led_t)
39 );
40
41 //拨码开关模块
42 swi_led u_swi_led(
43 .clk (sys_clk ),
44 .rst_n (sys_rst_n),
45 .swi (swi ),
46 .led (led )
47 );
48 endmodule
顶层模块主要就是例化三个子模块，在这里就不作过多介绍了，下面我们直接开始看矩阵键盘扫描模块，矩阵键盘扫描模块的代码如下：
1 module key_4x4(
2 input sys_clk , //50MHZ
3 input sys_rst_n ,
4 input [3:0] key_row , //行
5 output reg [3:0] key_col , //列
6 output reg [3:0] key_value , //键值
7 output reg key_flag
8
9 );
10
11 //reg define
12 reg [2:0] state ; //状态标志
13 reg [3:0] key_col_reg ; //寄存扫描列值
14 reg [3:0] key_row_reg ; //寄存扫描行值
15 reg [31:0]delay_cnt ;
16 reg [3:0] key_reg ;
17 reg key_flag_row; //消抖完成标志
18
19 //*****************************************************
20 //** main code
21 //*****************************************************
22
23 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
24 if (!sys_rst_n) begin
25 key_reg <= 4'b1;
26 delay_cnt <= 32'd0;
27 end
28 else begin
29 key_reg <= key_row;
30 if(key_reg != key_row)
31 delay_cnt <= 32'd1000000;
32 else if(key_reg == key_row) begin
33 if(delay_cnt > 32'd0)
34 delay_cnt <= delay_cnt - 1'b1;
35 else
36 delay_cnt <= delay_cnt;
37 end
38 end
39 end
40
41 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
42 if (!sys_rst_n)
43 key_flag_row <= 1'b0;
44 else begin
45 if(delay_cnt == 32'd1)
46 key_flag_row <= 1'b1;
47 else
48 key_flag_row <= 1'b0;
49 end
50 end
51
52 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
53 if(!sys_rst_n) begin
54 key_col<=4'b0000;
55 state<=0;
56 end
57 else begin
58 case (state)
59 0:
60 begin
61 key_col[3:0]<=4'b0000;
62 key_flag<=1'b0;
63 if((key_row[3:0]!=4'b1111)&&(key_flag_row)) begin
64 state<=1;
65 key_col[3:0]<=4'b1110;
66 end
67 else
68 state<=0;
69 end
70 1:
71 begin
72 if(key_row[3:0]!=4'b1111)
73 state<=5;
74 else begin
75 state<=2;
76 key_col[3:0]<=4'b1101;
77 end
78 end
79 2:
80 begin
81 if(key_row[3:0]!=4'b1111)
82 state<=5;
83 else begin
84 state<=3;
85 key_col[3:0]<=4'b1011;
86 end
87 end
88 3:
89 begin
90 if(key_row[3:0]!=4'b1111)
91 state<=5;
92 else begin
93 state<=4;
94 key_col[3:0]<=4'b0111;
95 end
96 end
97 4:
98 begin
99 if (key_row[3:0]!=4'b1111)
100 state<=5;
101 else
102 state<=0;
103 end
104 5:
105 begin
106 if(key_row[3:0]!=4'b1111) begin
107 key_col_reg<=key_col;
108 key_row_reg<=key_row;
109 state<=5;
110 key_flag<=1'b1;
111 end
112 else
113 state<=0;
114 end
115 endcase
116 end
117
118 always @ ( posedge sys_clk ) begin
119 if(key_flag==1'b1)
120 begin
121 case ({
key_col_reg,key_row_reg})
122
123 8'b1110_1110:key_value<=4'd0;
124 8'b1110_1101:key_value<=4'd4;
125 8'b1110_1011:key_value<=4'd8;
126 8'b1110_0111:key_value<=4'd12;
127
128 8'b1101_1110:key_value<=4'd1;
129 8'b1101_1101:key_value<=4'd5;
130 8'b1101_1011:key_value<=4'd9;
131 8'b1101_0111:key_value<=4'd13;
132
133 8'b1011_1110:key_value<=4'd2;
134 8'b1011_1101:key_value<=4'd6;
135 8'b1011_1011:key_value<=4'd10;
136 8'b1011_0111:key_value<=4'd14;
137
138 8'b0111_1110:key_value<=4'd3;
139 8'b0111_1101:key_value<=4'd7;
140 8'b0111_1011:key_value<=4'd11;
141 8'b0111_0111:key_value<=4'd15;
142 endcase
143 end
144 end
145
146 endmodule
其实要想看懂矩阵键盘的扫描代码就要先吃透矩阵键盘的硬件设计，在上文已经跟大家介绍了我们矩阵键盘的行扫描信号全部3.3V上拉，并且行列信号（四个行信号四个列信号）是全部接到 FPGA 引脚上的,我们要想检测具体哪个按键被按下只要扫描它的行列序号就可以。矩阵键盘的按键编号是按照从左往右的 顺序编码的，例如第0行第0列的按键编号就是“0”(编号从0开始)，第 0 行第1列的按键编号就是“1”，依次类推矩阵16个按键编号就是0~15，每一个编号都有自已唯一对应的行列号。那怎么得到这个行列号呢？这里我们就以按键6（对应的行列号为第一行第二列，对应扩展板上的KEY7）按下为例给大家讲解，首先按键没被按下之前所有的行端口（key_row [3:0]）因为上拉的关系全为高电平，此时我们让所有与列端口相连的FPGA IO输出低电平（也就是key_col [3:0]等于4’b0000），这样当按键6被按下时，行端口1（key_row [1]）会因为与列端口2(key_col[2])导通（按键闭合）而由原本的上拉高电平变成低电平，这样行端口就被检测出来了，哪一行端口电平变成低电平就说明按键就在那一行。接下来我们再来扫描列端口，按键按下之前四个列端口全部输出为低电平，按键按下后先扫列端口0（第一列）。我们将列端口0保持低电平，列端口1~3全部拉高（也就是 key_col [3:0] 等于 4’b1110）看行端口（key_row [3:0]）的值是否发生变化（行端口1是否由低电平恢复成高电平即key_row[3:0]是否等于 4’b1111），如果没有变化则说明按键的列序号就是0，如果发生变化了说明按键不在列端口0的位置（第一列），因为只有当列端口为低电平时才能拉低其对应行端口为低电平，否则行端口会恢复成高电平，那么我们就继续扫描下一列，将列端口1（第二列）置0，其他端口置1，看行端口电平是否变化（即判断key_row[3:0]是否恢复成4’b1111），如果不变化说明被按下的按键对应列序号就是1，反之则不是，我们继续扫描下一列，直到找到对应列为止。采用这种扫描的方法就可以找到被按下按键的具体行列位置了，就可以找到对应编号，我们把这个编号传递给数码管模块，让数码管把编号显示出来。了解了矩阵按键扫描原理后我们再来分析代码，代码第22~50行是按键消抖模块，它的工作原理很简单，就是将按键的值先打一拍（key_reg <= key_row），然后检测当前时钟下按键的状态和上一个时钟的状态是否一致，如果不一致则将计数器 delay_cnt 赋初值100万，如果一致则计数器从初值开始作减法计数，直到计数器计数到“1”，说明按键的状态一直稳定了100万个时钟周期，此时我们认为是一次有效的按键 触发，这时我们就可以拉高消抖完成标志key_flag_row（注意只拉高一个时钟）。代码第52116行就是实现整个按键扫描的过程，它算一个简单的状态机，共有6个状态，其中状态04就是判断按键具体在哪一列，主要就是改变输出key_col[3:0]的值，看key_row[3:0]是否等于4’b1111，只要key_row[3:0]不等于4’b1111就说明一定有按键按下，然后再看列端口的值，四个列端口只保留一个端口为低电平，其余都为高电平，这样只有当被按下的按键刚好处于列端口为低电平的位置时 key_row[3:0]才能不等于4’b1111，因为按键闭合会使行端口上拉 3.3V 与列端口低电平导通，行端口的值被下拉成 0，否则行端口会一直处于上拉状态即key_row[3:0]等于 4’b1111。按照这个原理我们就把被按下的按键行列位置找到了，接下来就进入状态5将行列值寄存下来。最后代码118~144行会根据行列值把按键的编号翻译出来，然后传递给数码管模块去显示。 看完了矩阵按键扫描模块后我们再来看看数码管显示模块（seg_led）的代码，如下所示：
1 module seg_led(
2 input clk ,
3 input rst_n ,
4 input [3:0] key_value ,
5 input key_flag ,
6 output [3:0] sel_t ,
7 output [7:0] seg_led_t
8 );
9
10 //reg define
11 reg [3:0] sel ;
12 reg [7:0] seg_led;
13
14 //*****************************************************
15 //** main code
16 //*****************************************************
17
18 assign sel_t = ~sel ;//共阴极接法这里取反，如果共阳极这里就不取反
19 assign seg_led_t = ~seg_led;//共阴极接法这里取反，如果共阳极这里就不取反
20
21 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
22 if(!rst_n)
23 sel <= 4'b1111;
24 else if(key_flag)
25 sel <= 4'b0000;
26 else
27 sel <= 4'b1111;
28 end
29
30 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
31 if(rst_n==1'b0)
32 seg_led <= 8'b0;
33 else if (key_flag)begin
34 case (key_value)
35