小梅哥和你一起深入學(xué)習FPGA之獨立按鍵檢測（上）

　　幾乎沒(méi)有哪一個(gè)系統沒(méi)有輸入輸出設備，大到顯示器，小到led燈，輕觸按鍵。作為一個(gè)系統，要想穩定的工作，輸入輸出設備的性能占了很重要的角色。本實(shí)驗，小梅哥就通過(guò)一個(gè)獨立按鍵的檢測實(shí)驗，來(lái)正式步入基本外設驅動(dòng)開(kāi)發(fā)的大門(mén)。

　　一、 實(shí)驗目的

　　實(shí)現4個(gè)獨立按鍵的抖動(dòng)檢測實(shí)驗，并通過(guò)4個(gè)獨立按鍵控制4個(gè)led燈亮滅狀態(tài)的翻轉。

　　二、 實(shí)驗原理

　　實(shí)際系統中常用的按鍵大部分都是輕觸式按鍵，如圖2-1所示。該按鍵內部由一個(gè)彈簧片和兩個(gè)固定觸點(diǎn)組成，當彈簧片被按下，則兩個(gè)固定觸點(diǎn)接通，按鍵閉合。彈簧片松開(kāi)，兩個(gè)觸點(diǎn)斷開(kāi)，按鍵也就斷開(kāi)了。根據這種按鍵的機械特性，在按鍵按下時(shí)，會(huì )先有一段時(shí)間的不穩定期，在這期間，兩個(gè)觸點(diǎn)時(shí)而接通，時(shí)而斷開(kāi)，我們稱(chēng)之為抖動(dòng)，當按鍵大約按下20ms后，兩個(gè)觸點(diǎn)才能處于穩定的閉合狀態(tài)，按鍵松開(kāi)時(shí)和閉合時(shí)情況類(lèi)似。而我們的FPGA工作在很高的頻率，按鍵接通或斷開(kāi)時(shí)任何一點(diǎn)小的抖動(dòng)都能輕易的捕捉到，如果不加區分的將每一次閉合或斷開(kāi)都當做一次按鍵事件，那么勢必一次按鍵動(dòng)作會(huì )被FPGA識別為很多次按鍵操作，從而導致系統工作穩定性下降。

　　圖2-1 輕觸按鍵實(shí)物圖

　　一次按鍵動(dòng)作的大致波形如下圖所示：

　　因此，我們所需要做的工作，就是濾除按鍵按下和釋放時(shí)各存在的20ms的不穩定波形

　　三、 硬件設計

　　獨立按鍵屬于一種輸入設備，其與FPGA連接的IO口被接上了10K的上拉電阻，在按鍵沒(méi)有按下時(shí)，FPGA會(huì )檢測到高電平;當按鍵按下后，FPGA的IO口上則將呈現低電平。因此，按鍵檢測的實(shí)質(zhì)就是讀取FPGA的IO上的電平。

　　圖3-1 獨立按鍵典型電路

　　四、 架構設計

　　本實(shí)驗由總共四個(gè)模塊組成，分別為L(cháng)ED驅動(dòng)模塊、獨立按鍵檢測模塊、控制模塊和頂層模塊，其架構如下：

　　以下為按鍵抖動(dòng)檢測的代碼，采用狀態(tài)機的方式編寫(xiě)，總共有兩個(gè)狀態(tài)，按下消抖為狀態(tài)0，釋放消抖為狀態(tài)1。具體的消抖流程代碼中的注釋已經(jīng)寫(xiě)的比較清楚，但如果全部用文字解釋出來(lái)還是有一定的復雜性。這也是實(shí)地講解和網(wǎng)上文檔的一點(diǎn)點(diǎn)差距吧，希望我后期的視頻里面能講清楚。其實(shí)抖動(dòng)消除的核心思路就是對按鍵狀態(tài)的變化進(jìn)行計時(shí)，若兩次電平變化之間時(shí)間小于20ms，則視為抖動(dòng)，若低電平穩定時(shí)間超過(guò)20ms，則表明檢測到了穩定的按鍵狀態(tài)。釋放時(shí)的消抖過(guò)程與按下時(shí)的消抖過(guò)程類(lèi)似。

　　以下是代碼片段：

　　module normal_keys_detect #(parameter KEY_WIDTH = 4)

　　(Clk,Rst_n,Key_in,Key_Flag,Key_Value);

　　input Clk;

　　input Rst_n;

　　input [KEY_WIDTH-1:0]Key_in;

　　output reg Key_Flag;

　　output reg[KEY_WIDTH-1:0]Key_Value;

　　reg [KEY_WIDTH-1:0]key_tmp,key_tmp1;

　　reg [19:0]cnt1;

　　reg state;

　　wire level_change; /*按鍵狀態(tài)變化標志信號*/

　　localparam cnt1_TOP = 1_000_000;

　　/*-------存儲按鍵狀態(tài)的上一個(gè)狀態(tài)---------------*/

　　always @ (posedge Clk or negedge Rst_n)

　　begin

　　if(!Rst_n)

　　begin

　　key_tmp <= 'd0;

　　key_tmp1 <= 'd0;

　　end

　　else

　　begin

　　key_tmp <= Key_in;

　　key_tmp1 <= key_tmp;

　　end

　　end

　　/*---通過(guò)比較按鍵上一個(gè)狀態(tài)和此時(shí)刻狀態(tài)來(lái)獲知按鍵狀態(tài)是否改變---*/

　　assign level_change = (key_tmp == key_tmp1)?1'b0:1'b1;

　　always @ (posedge Clk or negedge Rst_n)

　　if(!Rst_n)

　　begin

　　cnt1 <= 20'd0;

　　state <= 1'b0;

　　Key_Value <= 4'b0000;

　　Key_Flag <= 1'b0;

　　end

　　else

　　begin

　　case(state)

　　0: /*按下檢測*/

　　//沒(méi)有電平變化，且按鍵輸入狀態(tài)不全為1

　　if(!level_change & key_tmp1 != {KEY_WIDTH{1'b1}})

　　begin

　　if(cnt1 == cnt1_TOP)/*計數滿(mǎn)消抖所需時(shí)間*/

　　begin

　　Key_Value <= ~Key_in;

　　Key_Flag <= 1;

　　cnt1 <= 0;

　　state <= 1;

　　end

　　else

　　cnt1 <= cnt1 + 1'b1;

　　end

　　else

　　begin

　　cnt1 <= 0;

　　Key_Flag <= 0;

　　state <= 0;

　　end

　　1:/*釋放檢測*/

　　begin

　　Key_Flag <= 0;

　　/*沒(méi)有電平變化，且按鍵輸入狀態(tài)全為1*/

　　if(!level_change & key_tmp1 == {KEY_WIDTH{1'b1}})

　　begin

　　if(cnt1 == cnt1_TOP)/*計數滿(mǎn)消抖所需時(shí)間*/

　　begin

　　cnt1 <= 0;

　　state <= 0;

　　end

　　else

　　cnt1 <= cnt1 + 1'b1;

　　end

　　else

　　begin

　　cnt1 <= 0;

　　state <= 1;

　　end

　　end

　　endcase

　　end

　　endmodule

　　七、 測試平臺設計

　　本實(shí)驗主要對按鍵檢測的結果進(jìn)行觀(guān)察和分析，通過(guò)仿真，驗證設計的正確性和合理性。按鍵消抖模塊的testbench的代碼如下：

　　以下是代碼片段：

　　`timescale 1ns/1ns

　　module normal_keys_detect_tb;

　　reg Clk;

　　reg Rst_n;

　　reg [3:0]Key_in;

　　wire Key_Flag;

　　wire [3:0]Key_Value;

　　normal_keys_detect

　　#(

　　.KEY_WIDTH(4)

　　)

　　normal_keys_detect_inst1(

　　.Clk(Clk),

　　.Rst_n(Rst_n),

　　.Key_in(Key_in),

　　.Key_Flag(Key_Flag),

　　.Key_Value(Key_Value)

　　);

　　initial begin

　　Clk = 1;

　　Rst_n = 0;

　　Key_in = 4'b1111;

　　#100;

　　Rst_n = 1;

　　press_key(0);

　　#30000000;

　　press_key(1);

　　#30000000;

　　press_key(2);

　　#30000000;

　　press_key(3);

　　#30000000;

　　$stop;

　　end

　　always #10 Clk = ~Clk;

　　task press_key;

　　input [1:0]Key;

　　begin

　　Key_in = 4'b1111;

　　/*按下抖動(dòng)*/

　　#100 Key_in[Key] = 0;

　　#200 Key_in[Key] = 1;

　　#300 Key_in[Key] = 0;

　　#400 Key_in[Key] = 1;

　　#500 Key_in[Key] = 0;

　　#600 Key_in[Key] = 1;

　　#700 Key_in[Key] = 0;

　　#800 Key_in[Key] = 1;

　　#900 Key_in[Key] = 0;

　　/*穩定期*/

　　#22000000;

　　/*釋放抖動(dòng)*/

　　#100 Key_in[Key] = 1;

　　#200 Key_in[Key] = 0;

　　#300 Key_in[Key] = 1;

　　#400 Key_in[Key] = 0;

　　#500 Key_in[Key] = 1;

　　#600 Key_in[Key] = 0;

　　#700 Key_in[Key] = 1;

　　#800 Key_in[Key] = 0;

　　#900 Key_in[Key] = 1;

　　end

　　endtask

　　endmodule

　　testben中使用了一個(gè)任務(wù)(task)，該任務(wù)模擬按鍵抖動(dòng)的過(guò)程，給按鍵按下和釋放時(shí)增加抖動(dòng)，調用時(shí)只需要輸入需要按下的按鍵編號，該任務(wù)便可自動(dòng)完成按下抖動(dòng)、穩定、松開(kāi)抖動(dòng)的過(guò)程。

　　整個(gè)工程的testbench與消抖模塊的testbench一樣，只需要在例化部分將消抖模塊替換為頂層模塊即可，同時(shí)將每個(gè)按鍵的任務(wù)由一次調用該為兩次調用即可，詳細代碼如下：

　　以下是代碼片段：

　　`timescale 1ns/1ns

　　module top_tb;

　　reg Clk;

　　reg Rst_n;

　　reg [3:0]Key_in;

　　wire [3:0]Led;

　　top top_inst(

　　.Clk(Clk),

　　.Rst_n(Rst_n),

　　.Key_in(Key_in),

　　.Led(Led)

　　);

　　initial begin

　　Clk = 1;

　　Rst_n = 0;

　　Key_in = 4'b1111;

　　#100;

　　Rst_n = 1;

　　press_key(0);

　　#30000000;

　　press_key(0);

　　#30000000;

　　press_key(1);

　　#30000000;

　　press_key(1);

　　#30000000;

　　press_key(2);

　　#30000000;

　　press_key(2);

　　#30000000;

　　press_key(3);

　　#30000000;

　　press_key(3);

　　#30000000;

　　$stop;

　　end

　　always #10 Clk = ~Clk;

　　task press_key;

　　input [1:0]Key;

　　begin

　　Key_in = 4'b1111;

　　/*按下抖動(dòng)*/

　　#100 Key_in[Key] = 0;

　　#200 Key_in[Key] = 1;

　　#300 Key_in[Key] = 0;

　　#400 Key_in[Key] = 1;

　　#500 Key_in[Key] = 0;

　　#600 Key_in[Key] = 1;

　　#700 Key_in[Key] = 0;

　　#800 Key_in[Key] = 1;

　　#900 Key_in[Key] = 0;

　　/*穩定期*/

　　#22000000;

　　/*釋放抖動(dòng)*/

　　#100 Key_in[Key] = 1;

　　#200 Key_in[Key] = 0;

　　#300 Key_in[Key] = 1;

　　#400 Key_in[Key] = 0;

　　#500 Key_in[Key] = 1;

　　#600 Key_in[Key] = 0;

　　#700 Key_in[Key] = 1;

　　#800 Key_in[Key] = 0;

　　#900 Key_in[Key] = 1;

　　end

　　endtask

　　endmodule