Altera MAX10: 按鍵消抖
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按鍵消抖
在之前的實(shí)驗中我們學(xué)習了如何用按鍵作為FPGA的輸入控制，在本實(shí)驗中將學(xué)習如何進(jìn)行按鍵消抖，用按鍵完成更多的功能。
====硬件說(shuō)明====
按鍵是一種常用的電子開(kāi)關(guān)，電子設計中不可缺少的輸入設備。當按下時(shí)使開(kāi)關(guān)導通，松開(kāi)時(shí)則開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，內部結構是靠金屬彈片來(lái)實(shí)現通斷。
按鍵抖動(dòng)的原理
在點(diǎn)亮LED實(shí)驗中我們知道了小腳丫板子上按鍵的設計，當按鍵未被按下時(shí)，連接到FPGA管腳認為是高電平；當按鍵被按下時(shí)，連接到FPGA管腳認為是低電平。
要消除按鍵的抖動(dòng)，我們需要去掃描按鍵，也就是不斷的去采集按鍵的狀態(tài)。軟件消抖時(shí)我們一般只考慮按鍵按下時(shí)的抖動(dòng)，而放棄對釋放時(shí)抖動(dòng)的消除。用系統時(shí)鐘（頻率較高）去采集按鍵狀態(tài)，當檢測到按下時(shí)用計數器延時(shí)20ms，再去檢測按鍵狀態(tài)，如果這時(shí)仍為按下?tīng)顟B(tài)，確認是一次按下動(dòng)作，否側的話(huà)認為無(wú)按鍵按下。如何檢測按鍵狀態(tài)變化就需要用到脈沖邊沿檢測的方法。
脈沖邊沿檢測
檢測按鍵按下時(shí)要用到脈沖邊沿檢測的方法，捕捉信號的突變、捕捉時(shí)鐘的上升下降沿等經(jīng)常會(huì )用到這種方法。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是用一個(gè)頻率更高的時(shí)鐘去觸發(fā)要檢測的信號，用兩個(gè)寄存器去儲存相鄰兩個(gè)時(shí)鐘采集到的值，然后進(jìn)行異或運算，如果不為零，代表發(fā)生了上升沿或者下降沿。
在按鍵消抖的過(guò)程中，同樣運用了脈沖邊沿檢測。用兩個(gè)寄存器儲存相鄰時(shí)鐘采集的值（例如datapre,data）,然后將data取反與前一個(gè)值相與（state=datapre&（~data））,如果為1，則判斷有下降沿既按鍵按下由高到低；否則無(wú)變化。
將一個(gè)信號由連續時(shí)鐘采集，相鄰兩個(gè)鐘觸發(fā)的值存入兩個(gè)寄存器。理解verilog實(shí)現這個(gè)過(guò)程要充分了解其中的非阻塞賦值。
====Verilog代碼====
本實(shí)驗主要通過(guò)按鍵來(lái)控制led的翻轉，當按下一次led變亮，再按下一次led變暗。首先我們做個(gè)試驗，對按鍵不做處理通過(guò)按鍵來(lái)控制led翻轉。
// ******************************************************************** // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< // ******************************************************************** // File name : top.v // Module name : top // Author : STEP // Description : control led through the button // // -------------------------------------------------------------------- // Code Revision History : // -------------------------------------------------------------------- // Version: |Mod. Date: |Changes Made: // V1.0 |2017/03/02 |Initial ver // -------------------------------------------------------------------- // Module Function:按鍵控制led翻轉，未做消抖 module top( key, //按鍵輸入 rst, //復位輸入 led //led輸出 ); input key,rst; output reg led; always @(key or rst) if (!rst) //復位時(shí)led熄滅 led = 1; else if(key == 0) led = ~led; //按鍵按下時(shí)led翻轉 else led = led; endmodule
未經(jīng)過(guò)消抖的程序下載到小腳丫上會(huì )發(fā)現按鍵有時(shí)不能夠控制led翻轉，這是因為按鍵的抖動(dòng)造成了led狀態(tài)變化不可控，所以我們必須將抖動(dòng)消除。下面是一種延時(shí)去抖的程序
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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// ********************************************************************
// File name : debounce.v
// Module name : debounce
// Author : STEP
// Description :
//
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History :
// --------------------------------------------------------------------
// Version: |Mod. Date: |Changes Made:
// V1.0 |2017/03/02 |Initial ver
// --------------------------------------------------------------------
// Module Function:按鍵消抖
module debounce (clk,rst,key,key_pulse);
parameter N = 1; //要消除的按鍵的數量
input clk;
input rst;
input [N-1:0] key; //輸入的按鍵
output [N-1:0] key_pulse; //按鍵動(dòng)作產(chǎn)生的脈沖
reg [N-1:0] key_rst_pre; //定義一個(gè)寄存器型變量存儲上一個(gè)觸發(fā)時(shí)的按鍵值
reg [N-1:0] key_rst; //定義一個(gè)寄存器變量?jì)Υ鎯Ξ斍皶r(shí)刻觸發(fā)的按鍵值
wire [N-1:0] key_edge; //檢測到按鍵由高到低變化是產(chǎn)生一個(gè)高脈沖
//利用非阻塞賦值特點(diǎn)，將兩個(gè)時(shí)鐘觸發(fā)時(shí)按鍵狀態(tài)存儲在兩個(gè)寄存器變量中
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if (!rst) begin
key_rst <= {N{1'b1}}; //初始化時(shí)給key_rst賦值全為1，{}中表示N個(gè)1
key_rst_pre <= {N{1'b1}};
end
else begin
key_rst <= key;
//第一個(gè)時(shí)鐘上升沿觸發(fā)之后key的值賦給key_rst,同時(shí)key_rst的值賦給key_rst_pre
key_rst_pre <= key_rst;
//非阻塞賦值。相當于經(jīng)過(guò)兩個(gè)時(shí)鐘觸發(fā)，key_rst存儲的是當前時(shí)刻key的值，key_rst_pre存儲的是前一個(gè)時(shí)鐘的key的值
end
end
assign key_edge = key_rst_pre & (~key_rst);
//脈沖邊沿檢測。當key檢測到下降沿時(shí)，key_edge產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平
reg [17:0] cnt;
//產(chǎn)生延時(shí)所用的計數器，系統時(shí)鐘12MHz，要延時(shí)20ms左右時(shí)間，至少需要18位計數器
//產(chǎn)生20ms延時(shí)，當檢測到key_edge有效是計數器清零開(kāi)始計數
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; //延時(shí)后檢測電平寄存器變量
reg [N-1:0] key_sec;
//延時(shí)后檢測key，如果按鍵狀態(tài)變低產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘的高脈沖。如果按鍵狀態(tài)是高的話(huà)說(shuō)明按鍵無(wú)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
assign key_pulse = key_sec_pre & (~key_sec);
endmodule以上就是一個(gè)N位按鍵的消抖程序，如果有按鍵按下會(huì )輸出一個(gè)時(shí)鐘周期的高脈沖。下面我們可以試試用這個(gè)按鍵消抖的輸出來(lái)觸發(fā)LED的顯示，既按鍵一次LED翻轉。你也可以不加按鍵消抖試試用按鍵來(lái)控制LED（按一次變亮，再按一次滅掉）。
下面的程序是例化調用debounce模塊來(lái)控制LED
// ******************************************************************** // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< // ******************************************************************** // File name : top.v // Module name : top // Author : STEP // Description : // // -------------------------------------------------------------------- // Code Revision History : // -------------------------------------------------------------------- // Version: |Mod. Date: |Changes Made: // V1.0 |2017/03/02 |Initial ver // -------------------------------------------------------------------- // Module Function:進(jìn)過(guò)按鍵消抖后控制led顯示翻轉 module top (clk,rst,key,led); input clk; input rst; input key; output reg led; wire key_pulse; //當按鍵按下時(shí)產(chǎn)生一個(gè)高脈沖，翻轉一次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，這里沒(méi)有傳遞參數N，采用了默認的N=1 debounce u1 ( .clk (clk), .rst (rst), .key (key), .key_pulse (key_pulse) ); endmodule
====引腳分配====
設置好復位鍵可消抖的按鍵，編譯完成后下載，通過(guò)按鍵就可以翻轉LED。你也可以定義多個(gè)按鍵控制多個(gè)LED，還可以比較不加按鍵消抖情況下實(shí)際的效果對比如何。
| 信號 | 引腳 |
|---|---|
| clk | J5 |
| rst | J9 |
| key | K14 |
| led | N15 |
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