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实验 09：按键调速流水灯

🛒 开发板购买: EK303 GW1N FPGA核心板

一、实验目的​

  1. 综合运用按键消抖、状态机和 LED 动态驱动，实现多维度交互控制。
  2. 掌握多输入状态机设计——3 个按键分别控制方向、速度、暂停。
  3. 理解参数化速度控制——通过 case 选择不同的分频系数实现多档速度。
  4. 学习移位方向的动态切换（左移 vs 右移）。

二、实验过程​

2.1 硬件连接​

外设引脚功能
KEY169方向切换（左移 ↔ 右移）
KEY270速度切换（快/中/慢）
KEY371暂停/恢复
LED1~3Pin 8/9/10流水灯显示

2.2 设计思路​

系统架构：

KEY1 ──→ [消抖] ──→ 方向控制 (dir)
KEY2 ──→ [消抖] ──→ 速度控制 (speed[1:0])
KEY3 ──→ [消抖] ──→ 暂停控制 (pause)

dir, speed, pause
 ↓
[流水灯核心模块]
 ↓
 LED[2:0]

方向控制：

dir方向移位逻辑
0左移（LED1→LED2→LED3）led <= {led[1:0], led[2]}
1右移（LED3→LED2→LED1）led <= {led[0], led[2:1]}

速度档位：

档位speed移位间隔周期值 (50MHz)
快000.1s5,000,000
中010.3s15,000,000
慢100.8s40,000,000

暂停控制：pause = 1 时计数器停止、移位停止，LED 保持当前状态。

2.3 Verilog 模块设计​

模块名：led_shift_ctrl

端口：

端口方向位宽说明
clk_50minput1时钟
key_dir, key_spd, key_pauseinput1三个按键
ledoutput3LED 输出

内部信号：

信号位宽说明
dir1方向：0=左移, 1=右移
speed2速度档位 0/1/2
pause1暂停标志
shift_en1移位使能脉冲
shift_cnt26分频计数器

逻辑描述：

  1. 例化 3 个消抖模块处理三个按键。
  2. 按键响应：
  • KEY1 脉冲 → dir <= ~dir
  • KEY2 脉冲 → speed <= speed + 1（循环 0→1→2→0）
  • KEY3 脉冲 → pause <= ~pause
  1. 分频计数器：根据 speed 选择不同的比较阈值，!pause 时正常计数。
  2. 移位逻辑：shift_en 时根据 dir 执行左移或右移。

2.4 引脚约束​

同前，3 个 LED + 3 个按键。

三、实验现象​

操作现象
上电默认三个 LED 快速（0.1s）从左向右流水
按下 KEY1流水方向反转，从右向左流动
按下 KEY2（1 次）速度变为中速（0.3s/步）
按下 KEY2（2 次）速度变为慢速（0.8s/步）
按下 KEY2（3 次）回到快速
按下 KEY3流水暂停，LED 静止保持当前状态
再按 KEY3恢复流水

三个按键独立控制方向/速度/暂停，互不干扰，操作即时响应。

四、掌握知识点​

知识点说明
多输入状态机3 个按键信号驱动不同的状态寄存器
case(speed) 参数化根据速度档位选择分频阈值
动态方向控制dir 选通左移或右移表达式
暂停实现pause 门控计数器使能
模块复用3 次例化同一个消抖模块

五、思考题​

  1. 如何增加一个自动模式——流水方向每 5 秒自动反转？
  2. 如果 KEY2 要支持 5 档速度，speed 位宽需要多少？
  3. 暂停时能否让 LED 闪烁提示"已暂停"？

附录：源码清单​

top.v​

// =============================================================================
// exp_09_shift_ctrl - 按键调速流水灯
// 芯片: GW1N-LV9LQ144C6/I5, 时钟: 50MHz (Pin 98)
//
// 功能:
//   KEY1 (Pin 69): 方向切换 (左移 ↔ 右移)
//   KEY2 (Pin 70): 速度切换 (快→中→慢→快, 3档循环)
//   KEY3 (Pin 71): 暂停/恢复
//   LED[2:0] (Pin 8/9/10): 流水灯显示
// =============================================================================

module top (
    input  wire       clk_50m,    // 50MHz 系统时钟 (Pin 98)
    input  wire       key_dir,    // 方向切换键 (Pin 69)
    input  wire       key_spd,    // 速度切换键 (Pin 70)
    input  wire       key_pause,  // 暂停/恢复键 (Pin 71)
    output reg  [2:0] led         // LED 输出 (Pin 8/9/10)
);

    // =========================================================================
    // 参数定义
    // =========================================================================
    // 消抖: 20ms = 1,000,000 cycles
    localparam DEBOUNCE_MAX = 1_000_000 - 1;
    localparam DB_CNT_W     = 20;

    // 流水速度: 3 档
    localparam SPEED_FAST   = 26'd5_000_000;    // 0.1s / 步
    localparam SPEED_MID    = 26'd15_000_000;   // 0.3s / 步
    localparam SPEED_SLOW   = 26'd40_000_000;   // 0.8s / 步

    // =========================================================================
    // 内部信号 - 按键消抖
    // =========================================================================
    // 3 路独立消抖信号
    reg                   kd_sync0, kd_sync1, kd_stable, kd_prev;
    reg                   ks_sync0, ks_sync1, ks_stable, ks_prev;
    reg                   kp_sync0, kp_sync1, kp_stable, kp_prev;

    reg  [DB_CNT_W-1:0]  db_cnt_dir;
    reg  [DB_CNT_W-1:0]  db_cnt_spd;
    reg  [DB_CNT_W-1:0]  db_cnt_pause;

    // =========================================================================
    // 内部信号 - 控制状态
    // =========================================================================
    reg                   dir;        // 0=左移, 1=右移
    reg  [1:0]            speed;      // 0=快, 1=中, 2=慢
    reg                   pause;      // 0=运行, 1=暂停

    // =========================================================================
    // 内部信号 - 流水灯计时
    // =========================================================================
    reg  [25:0]           shift_cnt;  // 分频计数器
    reg  [25:0]           speed_threshold;  // 当前速度阈值

    // =========================================================================
    // 1. 按键消抖模块 × 3
    // =========================================================================

    // ---- KEY1: 方向 ----
    always @(posedge clk_50m) begin
        kd_sync0 <= key_dir;
        kd_sync1 <= kd_sync0;
    end

    always @(posedge clk_50m) begin
        if (kd_sync1 != kd_stable) begin
            if (db_cnt_dir == DEBOUNCE_MAX) begin
                kd_stable   <= kd_sync1;
                db_cnt_dir  <= {DB_CNT_W{1'b0}};
            end else begin
                db_cnt_dir <= db_cnt_dir + 1'b1;
            end
        end else begin
            db_cnt_dir <= {DB_CNT_W{1'b0}};
        end
    end

    always @(posedge clk_50m) kd_prev <= kd_stable;
    wire key_dir_pressed = kd_prev && !kd_stable;  // 下降沿

    // ---- KEY2: 速度 ----
    always @(posedge clk_50m) begin
        ks_sync0 <= key_spd;
        ks_sync1 <= ks_sync0;
    end

    always @(posedge clk_50m) begin
        if (ks_sync1 != ks_stable) begin
            if (db_cnt_spd == DEBOUNCE_MAX) begin
                ks_stable   <= ks_sync1;
                db_cnt_spd  <= {DB_CNT_W{1'b0}};
            end else begin
                db_cnt_spd <= db_cnt_spd + 1'b1;
            end
        end else begin
            db_cnt_spd <= {DB_CNT_W{1'b0}};
        end
    end

    always @(posedge clk_50m) ks_prev <= ks_stable;
    wire key_spd_pressed = ks_prev && !ks_stable;

    // ---- KEY3: 暂停 ----
    always @(posedge clk_50m) begin
        kp_sync0 <= key_pause;
        kp_sync1 <= kp_sync0;
    end

    always @(posedge clk_50m) begin
        if (kp_sync1 != kp_stable) begin
            if (db_cnt_pause == DEBOUNCE_MAX) begin
                kp_stable   <= kp_sync1;
                db_cnt_pause <= {DB_CNT_W{1'b0}};
            end else begin
                db_cnt_pause <= db_cnt_pause + 1'b1;
            end
        end else begin
            db_cnt_pause <= {DB_CNT_W{1'b0}};
        end
    end

    always @(posedge clk_50m) kp_prev <= kp_stable;
    wire key_pause_pressed = kp_prev && !kp_stable;

    // =========================================================================
    // 2. 按键响应逻辑
    // =========================================================================

    // KEY1: 方向翻转
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (key_dir_pressed)
            dir <= ~dir;
    end

    // KEY2: 速度循环 0→1→2→0
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (key_spd_pressed) begin
            if (speed == 2'd2)
                speed <= 2'd0;
            else
                speed <= speed + 1'b1;
        end
    end

    // KEY3: 暂停翻转
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (key_pause_pressed)
            pause <= ~pause;
    end

    // =========================================================================
    // 3. 速度阈值选择 (组合逻辑)
    // =========================================================================
    always @(*) begin
        case (speed)
            2'd0: speed_threshold = SPEED_FAST;   // 0.1s
            2'd1: speed_threshold = SPEED_MID;    // 0.3s
            2'd2: speed_threshold = SPEED_SLOW;   // 0.8s
            default: speed_threshold = SPEED_FAST;
        endcase
    end

    // =========================================================================
    // 4. 流水灯分频计数器
    // =========================================================================
    wire shift_en;

    always @(posedge clk_50m) begin
        if (!pause) begin
            if (shift_cnt >= speed_threshold - 1) begin
                shift_cnt <= 26'd0;
            end else begin
                shift_cnt <= shift_cnt + 1'b1;
            end
        end
    end

    assign shift_en = (!pause) && (shift_cnt >= speed_threshold - 1);

    // =========================================================================
    // 5. 流水灯移位逻辑
    // =========================================================================
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (shift_en) begin
            if (dir == 1'b0)
                led <= {led[1:0], led[2]};
            else
                led <= {led[0], led[2:1]};
        end
    end

    // =========================================================================
    // 6. 上电初始值
    // =========================================================================
    initial begin
        led        = 3'b001;
        dir        = 1'b0;
        speed      = 2'd0;
        pause      = 1'b0;
        shift_cnt  = 26'd0;
    end

endmodule