实验 06：按键计数器

🛒 开发板购买: EK303 GW1N FPGA核心板

一、实验目的

学习边沿检测电路——将消抖后的单周期脉冲转化为计数触发。
理解二进制计数在 FPGA 中的实现方式。
用 LED 以二进制形式直观显示计数值，加深对二进制数制的理解。
掌握长按/短按识别——用计时器区分单次点击和长按操作。

二、实验过程

2.1 硬件连接

外设	引脚
KEY1	计数键
LED1~3	Pin 8/9/10（显示计数低 3 位）

2.2 设计思路

核心功能：

KEY1 短按 ──→ 计数器 +1 ──→ LED 以二进制显示低 3 位
KEY1 长按 ──→ 计数器清零 ──→ LED 全灭 + 快闪两次确认

长按/短按判断：

KEY1 按下
 ↓
按键保持低电平 → 计时器开始计数
 ↓
释放时:
  计时 < 3 秒 → 判定为"短按" → 计数器 +1
  计时 ≥ 3 秒 → 判定为"长按" → 计数器清零

LED 二进制显示：

计数值	二进制	LED3	LED2	LED1
0	000	○	○	○
1	001	○	○	●
2	010	○	●	○
3	011	○	●	●
4	100	●	○	○
5	101	●	○	●
...	...	...	...	...
7	111	●	●	●

2.3 Verilog 模块设计

模块名：key_counter

端口：

端口	方向	位宽	说明
`clk_50m`	input	1	时钟
`key_in`	input	1	按键输入
`led`	output	3	计数值低 3 位显示

内部信号：

信号	位宽	说明
`key_pressed`	1	消抖后的按键脉冲
`counter`	8	按键计数值 (0~255)
`hold_timer`	28	按下持续时间计数器 (>3s = 150M 周期)
`key_stable`	1	同步后的按键稳态值

逻辑描述：

例化消抖模块，产生 key_pressed 脉冲。
检测按键状态：当 key_stable == 0（按下）时，hold_timer 递增；当 key_stable == 1（释放）时，判断：

hold_timer < 3秒 → 短按 → counter <= counter + 1。
hold_timer ≥ 3秒 → 长按 → counter <= 0，同时触发清零闪烁。

led <= counter[2:0]，直接输出计数器低 3 位。

三、实验现象

操作	现象
短按 KEY1 × 1	LED: ○○●（计数值 = 1）
短按 KEY1 × 3	LED: ○●●（计数值 = 3）
短按 KEY1 × 7	LED: ●●●（计数值 = 7）
短按 KEY1 × 8	LED: ○○○（计数值 = 8，低 3 位 = 000）
长按 KEY1 3 秒	LED 全灭并快闪两次（计数器归零确认）

直观展示了二进制计数规律：每按一次键 LED 亮灭组合变化一次，按 8 次恰好一个循环。

四、掌握知识点

知识点	说明
二进制数表示	3 bit 可表示 0~~7，N bit 可表示 0~~(2^N − 1)
边沿检测	检测按键脉冲触发计数
长按/短按识别	`hold_timer` 计时 + 释放时刻判断
计数器溢出	8 位计数器 255→0 自动回绕
状态指示	用 LED 闪烁反馈操作确认

五、思考题

如果要显示完整的 8 位计数值（0~255），只有 3 个 LED 怎么设计？
如何增加"双击"检测——0.5 秒内连续按两次？
如果长按清空后希望不闪烁，而是 LED 保持全灭，怎么改？

附录：源码清单

`top.v`

// =============================================================================
// exp_06_key_counter - 按键计数器 (Key Counter)
// 芯片: GW1N-LV9LQ144C6/I5, 时钟: 50MHz (Pin 98)
//
// 功能:
//   KEY1 短按 → 计数器+1, LED[2:0] 以二进制显示计数低3位
//   KEY1 长按≥3秒 → 计数器清零, LED快闪两次确认
// =============================================================================

module top (
    input  wire       clk_50m,   // 50MHz 系统时钟 (Pin 98)
    input  wire       key1,      // 计数/清零按键 (Pin 69, PULL_UP)
    output reg  [2:0] led        // LED[2:0] 二进制计数显示 (Pin 8/9/10)
);

    // =========================================================================
    // 参数定义
    // =========================================================================
    // 消抖周期: 20ms = 1,000,000 cycles @ 50MHz
    localparam DEBOUNCE_MS  = 20;
    localparam DEBOUNCE_MAX = 50_000_000 / 1000 * DEBOUNCE_MS - 1;  // 999,999
    localparam DB_CNT_W     = 20;   // 2^20 > 1,000,000

    // 长按阈值: 3s = 150,000,000 cycles @ 50MHz
    localparam LONG_PRESS_S  = 3;
    localparam LONG_PRESS_MAX = 50_000_000 * LONG_PRESS_S - 1;  // 149,999,999
    localparam LP_CNT_W       = 28;  // 2^28 > 150,000,000

    // 确认闪烁参数: 200ms周期, 闪2次 = 400ms亮 + 400ms灭
    localparam BLINK_HALF = 50_000_000 / 5 - 1;  // 200ms = 10,000,000
    localparam BLINK_CNT_W = 26;  // for 4 blinks * 200ms = 800ms

    // =========================================================================
    // 内部信号
    // =========================================================================
    reg  [DB_CNT_W-1:0]  db_cnt;        // 消抖计数器
    reg                   key_sync0;     // 同步寄存器0
    reg                   key_sync1;     // 同步寄存器1 (两级同步)
    reg                   key_stable;    // 消抖后的稳态值
    reg                   key_prev;      // 上一时钟的稳态值
    wire                  key_pressed;   // 下降沿检测 (按下瞬间脉冲)
    wire                  key_released;  // 上升沿检测 (释放瞬间脉冲)

    reg  [LP_CNT_W-1:0]  hold_timer;    // 按下持续时间计数器
    reg  [7:0]            counter;       // 按键计数值 0~255
    wire                  long_press;    // 长按标志

    // 清零确认闪烁
    reg  [BLINK_CNT_W-1:0] blink_cnt;   // 闪烁计数器
    reg  [2:0]             blink_phase;  // 闪烁阶段: 0=不闪, 1-4=闪烁
    reg                    blink_led;    // 闪烁LED输出

    // =========================================================================
    // 1. 按键同步 + 消抖
    // =========================================================================
    always @(posedge clk_50m) begin
        key_sync0 <= key1;
        key_sync1 <= key_sync0;
    end

    // 消抖: 连续20ms稳定才更新 key_stable
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (key_sync1 != key_stable) begin
            // 与当前稳态不一致，开始/继续计数
            if (db_cnt == DEBOUNCE_MAX) begin
                key_stable <= key_sync1;
                db_cnt     <= {DB_CNT_W{1'b0}};
            end else begin
                db_cnt <= db_cnt + 1'b1;
            end
        end else begin
            db_cnt <= {DB_CNT_W{1'b0}};
        end
    end

    // 边沿检测
    always @(posedge clk_50m) begin
        key_prev <= key_stable;
    end

    assign key_pressed  = key_prev && !key_stable;   // 高→低 = 按下
    assign key_released = !key_prev && key_stable;   // 低→高 = 释放

    // =========================================================================
    // 2. 按下持续时间计时器
    // =========================================================================
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (!key_stable) begin
            // 按键按下中，持续计时
            if (hold_timer < LONG_PRESS_MAX)
                hold_timer <= hold_timer + 1'b1;
        end else begin
            hold_timer <= {LP_CNT_W{1'b0}};
        end
    end

    assign long_press = (hold_timer >= LONG_PRESS_MAX);

    // =========================================================================
    // 3. 计数器逻辑 (短按+1, 长按清零)
    // =========================================================================
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (key_released) begin
            if (long_press) begin
                // 长按: 清零计数器, 触发闪烁确认
                counter <= 8'd0;
            end else begin
                // 短按: 计数器+1
                counter <= counter + 1'b1;
            end
        end
    end

    // =========================================================================
    // 4. 清零确认闪烁 (快闪两次)
    // =========================================================================
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (key_released && long_press) begin
            // 触发闪烁序列
            blink_phase <= 3'd1;
            blink_cnt   <= {BLINK_CNT_W{1'b0}};
        end else if (blink_phase != 3'd0) begin
            if (blink_cnt == BLINK_HALF) begin
                blink_cnt   <= {BLINK_CNT_W{1'b0}};
                blink_phase <= blink_phase + 1'b1;  // 进入下一阶段
            end else begin
                blink_cnt <= blink_cnt + 1'b1;
            end
        end
    end

    // 闪烁LED信号: 阶段1/3亮, 阶段2/4灭, 阶段5停止
    always @(*) begin
        case (blink_phase)
            3'd1, 3'd3: blink_led = 1'b1;   // 亮
            3'd2, 3'd4: blink_led = 1'b0;   // 灭
            3'd5:       blink_led = 1'b0;   // 结束，全灭
            default:    blink_led = 1'b0;
        endcase
    end

    // =========================================================================
    // 5. LED 输出: 闪烁时显示闪烁, 否则显示计数器低3位
    // =========================================================================
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (blink_phase != 3'd0)
            led <= {3{blink_led}};
        else
            led <= counter[2:0];
    end

endmodule

计数值	二进制	LED3	LED2	LED1
0	000	○	○	○
1	001	○	○	●
2	010	○	●	○
3	011	○	●	●
4	100	●	○	○
5	101	●	○	●
...	...	...	...	...
7	111	●	●	●

计数值	二进制	LED3	LED2	LED1
0	000	○	○	○
1	001	○	○	●
2	010	○	●	○
3	011	○	●	●
4	100	●	○	○
5	101	●	○	●
...	...	...	...	...
7	111	●	●	●

一、实验目的​

二、实验过程​

2.1 硬件连接​

2.2 设计思路​

2.3 Verilog 模块设计​

三、实验现象​

四、掌握知识点​

五、思考题​

附录：源码清单​

top.v​

一、实验目的

二、实验过程

2.1 硬件连接

2.2 设计思路

2.3 Verilog 模块设计

三、实验现象

四、掌握知识点

五、思考题

附录：源码清单

`top.v`

计数值	二进制	LED3	LED2	LED1
0	000	○	○	○
1	001	○	○	●
2	010	○	●	○
3	011	○	●	●
4	100	●	○	○
5	101	●	○	●
...	...	...	...	...
7	111	●	●	●