代码收藏家 【FPGA】按键消抖
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一丶按键原理
我们首先来看原理图
可以看到有4条输入线接到FPGA的IO口（最左边四个KEY）上，分两种情况：
1.当按键KEY1按下时，D3V3(也就是电源)通过电阻R（原理图上折线的那一段）然后再通过按键KEY1最终进入GND形成一条通路，那么这条线路的全部电压都加到了R这个电阻上，KEY1(最左边四个IO口)这个引脚就是个低电平。
2.当松开按键后，线路断开，就不会有电流通过，那么KEY1和D3V3就应该是等电位，是一个高电平。我们就可以通过KEY1这个IO口的高低电平来判断是否有按键按下。
二丶按键消抖
由于机械按键的物理特性，按键被按下的过程中，存在一段时间的抖动，同
时在释放按键的过程中也存在抖动，这就导致在识别的时候可能检测为多次的按键按下，而通常检测到一次按键输入信号的状态为低电平，就可以确认按键被按下了，所以我们在使用按键时往往需要消抖，以确保按键被按下一次只检测到一次低电平
按键消抖解决方案1：延迟采样。（图片采用作者stark-lin）
按键消抖解决方案2：信号变化频率平稳后并且持续20ms则采样。
三丶消抖方式
1.延迟采样
①任务描述
任务：
我们需要在检测到按键抖动的时刻延时20ms再采样
思路：我们首先需要一个模块来检测按键是否抖动，如果抖动，→ 给计时模块一个标志位开始计时，记满20ms，→ 再给输出消抖后按键信号模块一个标志位进行采样。
理清思路，整个程序分为三个模块，模块之间相互关联，关联之处需要一个起到连接作用的器件，也就是标志位。比如将flag作为标志位，检测到按键抖动之后，将flag作为计时开始的条件。下面开始编写代码，之后进行时序以及代码分析。
②编写代码
key_debounce.v
module key_debounce (
input wire clk, //系统时钟 50MHz
input wire rst_n, //复位信号
input wire key, //按键输入信号
output reg key_done //消抖之后的按键信号
);
reg key_r0; //同步信号(滤波作用，滤除小于一个周期的抖动)
reg key_r1; //打拍
reg flag; //标志位
wire nedge; //下降沿检测(检测到下降沿代表开始抖动)
//计时器定义
reg [19:0] cnt;
wire add_cnt; //计时器开启
wire end_cnt; //计时记满
parameter MAX_CNT=20'd1_000_000; //20ms延时
//同步
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
key_r0<=1'b1;
end
else
key_r0<=key;
end
//打拍
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
key_r1<=1'b1;
end
else
key_r1<=key_r0;
end
assign nedge = ~key_r0 & key_r1; //检测到下降沿拉高
//标志位
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
flag<=1'b0;
end
else if (nedge) begin
flag<=1'b1;
end
else if (end_cnt) begin
flag<=1'b0;
end
end
//延时模块
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
cnt<=20'b0;
end
else if (add_cnt) begin
if (end_cnt) begin
cnt<=20'b0;
end
else
cnt<=cnt+1;
end
end
assign add_cnt=flag; //计时器开启
assign end_cnt=add_cnt&&cnt==MAX_CNT-1; //计时器关闭
//key_done输出
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
key_done<=1'b0;
end
else if (end_cnt) begin //延时满20ms采样
key_done<=~key_r0;
end
else
key_done<=1'b0;
end
endmodule
③时序图分析
clock：我们的整个程序都是在时钟的控制下运行的，所有的always模块都对时钟的上升沿敏感，本人使用的开发板时钟频率是50MHz，也就是一秒震动50_000_000次，一个周期就是20ns
always @(posedge clk or negedge rst_n)
key_in:这是按键输入信号，低电平有效
key_r0:为了滤除掉小于一个周期的抖动，对key_in推迟一个周期进行同步。看图
方框位置key_in输入的按键信号抖动为低电平，小于一个周期，在时钟上升沿（posedge 代表上升沿敏感）到来的时候信号已经恢复高电平，key_r0还是保持高电平，这样就达到了滤波的效果
key_r1:这个信号是把同步信号再延时一个周期，主要是为了保存key_r0上一个周期的值，来判断是否出现下降沿
nedge：检测key_r0是否出现下降沿，若出现，则将标志位flag设为1，也是计时器开启的条件
cnt：20ms计时器
add_cnt：计时器开启条件，用flag表示
end_cnt：计时器结束条件，记满20ms，也是采样模块的开启条件
key_done：计时器记满，则开始采样，key_done拉高一个周期，代表按键按下
④仿真
代码：
`timescale 1ns/1ps
module tb_key_debounce ();
reg tb_clk;
reg tb_rst_n;
reg tb_key;
wire tb_key_done;
integer i,j;
defparam u_key_debounce.MAX_CNT=5; //将延时的时间修改为5个周期，也就是100ns
key_debounce u_key_debounce(
.clk (tb_clk) , //系统时钟 50MHz
.rst_n (tb_rst_n) , //复位信号
.key (tb_key) , //按键输入信号
.key_done (tb_key_done) //消抖之后的按键信号
);
always #10 tb_clk=~tb_clk;
initial begin
tb_clk=1'b1;
tb_rst_n=1'b1;
tb_key=1'b1;
#100;
//复位
tb_rst_n=1'b0;
#100;
//恢复
tb_rst_n=1'b1;
//模拟按键抖动
for (i = 0; i<=15; i=i+1) begin
j=({$random}%15);
#(j);
tb_key={$random};
end
//按键按下
tb_key=1'b0;
#150;
tb_key=1'b1;
#2000;
$stop;
end
endmodule
方框标红处延时20ms开始采样，拉高一个周期
2.抖动稳定后采样
①任务描述
任务：
我们需要不停的检测到按键抖动,直到信号稳定之后再延时20ms，之后采样
思路：我们首先需要一个模块来检测按键是否抖动，如果抖动，→ 给计时模块一个标志位开始计时，记满20ms，→ 再给输出消抖后按键信号模块一个标志位进行采样。
计时模块与方式1不同，只要还在抖动就把计数器清零，重新计数20ms，直到抖动稳定
②编写代码
key_debounce.v
module key_debounce(
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire key_in,
output reg key_flag, //判断抖动是否消除的标志信号，0为抖动，1为抖动结束
output reg key_value //消抖后稳定的按键值给到蜂鸣器模块
);
//定义20ms延迟计数器,0.2s,1_000_000次
reg [19:0] delay_cnt;
//寄存依次key的值用来判断按键是否消抖成功
reg key_reg;
parameter MAX_CNT=20'd1_000_000; //20ms
//20ms延时计数器
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)
begin
key_reg <= 1'b1; //复位信号，设置按键无效
delay_cnt <= 1'b0; //计数器设置为0
end
else
begin
key_reg <= key_in;
if(key_reg == 1 && key_in == 0) //当这一次key值和上一次key值不一样，证明正在抖动
delay_cnt <= MAX_CNT; //延迟时间20ms
else if(delay_cnt > 0)
delay_cnt <= delay_cnt - 1; //没有抖动，开始20ms倒计时
else
delay_cnt <= 1'b0;
end
end
//根据延时计数器获取按键状态以及按键值
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)
begin
key_flag <= 1'b0; //复位信号，设置信号标志为抖动
key_value <= 1'b1; //设置抽样值为1
end
else
begin
if(delay_cnt == 20'd1) //倒计时1_000_000到1
begin
key_flag <= 1'b1;
key_value <= key_in; //稳定20ms后将key值给到key_value
end
else
begin
key_flag <= 1'b0;
key_value <= key_value; //20ms内先不取样
end
end
end
endmodule
③代码分析
这里因为没有同步信号，和打拍信号，比较容易理解，就不画时序图做分析，可以对照仿真进行理解
计时模块中此处
key_reg相当于消抖方式1的同步信号，同样检测到下降沿开始计时（即计时器清零，我们这里使用倒计时，效果一样）
红框中的条件也可以换成key_reg != key_in，但是意义就不一样了，更改了之后就是只要前一个周期跟现在的信号有差异就计数，也就是出现下降沿和上升沿都计数，实际上差别不大，因为抖动时间在5-10ms内，有抖动一定会出现上升沿和下降沿
④仿真
代码：
`timescale 1ns/1ps
module tb_key_debounce ();
reg tb_clk;
reg tb_rst_n;
reg tb_key_in;
wire tb_key_flag;
wire tb_key_value;
integer i,j;
defparam u_key_debounce.MAX_CNT=5; //将延时的时间修改为5个周期，也就是100ns
key_debounce u_key_debounce(
.clk (tb_clk) , //系统时钟 50MHz
.rst_n (tb_rst_n) , //复位信号
.key_in (tb_key_in) , //按键输入信号
.key_flag (tb_key_flag) , //标志位
.key_value (tb_key_value) //消抖之后的按键信号
);
always #10 tb_clk=~tb_clk;
initial begin
tb_clk=1'b1;
tb_rst_n=1'b1;
tb_key_in=1'b1;
#100;
//复位
tb_rst_n=1'b0;
#100;
//恢复
tb_rst_n=1'b1;
//模拟按键抖动
for (i = 0; i<=15; i=i+1) begin
j=({$random}%15);
#(j);
tb_key_in={$random};
end
//按键按下
tb_key_in=1'b0;
#150;
tb_key_in=1'b1;
#2000;
$stop;
end
endmodule
红框处，计时器从我修改的值延时5个周期（100ns），倒计时到0，key_value采样，电平拉低一个周期，代表按键低有效
四丶消抖场景
上面所提到的按键消抖方式我们可以想象：
①验证密码：
假设我们的密码是10101，设置key[1]代表密码1,key[0]代表密码0
我们第一次按下key[1]，经过消抖之后，系统只会检测到一个按键低电平，代表只按了一次key[1]，否则，不消抖的话，按一次，系统能检测到多次低电平，输入的密码就会出现错误
②按键控制LED灯状态切换
按下一个按键并松开，LED保持对应状态，切换按键，LED切换状态
如果跟①一样，那么按键必须按住不放LED才会显示对应的状态，因为按照我们的按键消抖，按一下只会输出一个周期的低电平，所以需要一直按下按键，才能保持低电平，在不改变按键消抖的前提下，我们可以设置一个标志位，在按键消抖模块输出一个周期低电平的时候给标志位flag赋值为1，让flag作为LED状态的条件
