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按键消抖 [2016/06/12 10:13] anran [流水灯] |
按键消抖 [2016/06/12 17:16] (当前版本) anran [相关文档] |
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| 行 4: | 行 4: | ||
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| - [[STEP-MXO2第一代]] | - [[STEP-MXO2第一代]] | ||
| - | - [[STEP-Baseboard]] | ||
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| ====设计要求==== | ====设计要求==== | ||
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| - | - 掌握分频功能的设计 | + | - 掌握FPGA边沿检测的设计 |
| - | - 掌握时序逻辑的设计 | + | - 掌握按键消抖的原理 |
| - | - 掌握case的基本语法 | + | - 基于小脚丫[[STEP-MXO2第一代]]开发平台实现按键消抖的功能，实现脉冲和状态翻转输出。 |
| - | - 基于小脚丫STEP FPGA Base Board开发平台LED实现流水灯的功能，每个LED点亮时间为1秒 | + | |
| ====工作原理==== | ====工作原理==== | ||
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| + | {{ :抖动原理.png |抖动原理}} | ||
| - | 本设计为流水灯实验，我们需要结合使用的硬件平台实现[[STEP-Baseboard]]平台上的8个LED循环闪烁，每个LED灯点亮时间为1秒。 | + | 按键抖动的原理 |
| - | LED也叫发光二极管，属于二极管的一种，具有二极管的单项导电性，使用时需要给LED上施加正向压差，产生电流(一般在20mA以内，具体参考设计中使用的LED的参数)，点亮LED。 | + | - 抖动的产生 ：通常的按键所用的开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了不产生这种现象而作的措施就是按键消抖。 |
| + | - 消除抖动的措施：在按键按下的时刻，会出现波形的抖动，在之后的一段时间内，才会出现平稳的波形。我们舍弃了刚刚检测到按键按下的时刻，读取这一时刻之后20ms左右的按键信息，这样可以防止一次按键被误读多次。 | ||
| - | 为了使每个LED点亮1秒的时间，我们需要一个1Hz的信号，因为硬件平台[[STEP-MXO2第一代]]上使用的晶振为25MHz，2^25 = 33554432 > 25000000，所以我们需要做一个位宽为25的计数器。计数器初值为0，当计数到24999999时，总共计数25000000，也就是1秒时间。 | + | 根据上面的原理描述，我们可以对按键的输入管脚进行边沿检测，当检测到输入信号变化后计数清零并开始计数，计数到20ms时进行采样，然后再对每次采样的值进行下降沿检测，检测的结果作为按键消抖的脉冲输出，然后每次检测到下降沿时让状态输出进行翻转并输出。 |
| - | + | ||
| - | 为了实现流水的效果，我们需要一个寄存器，寄存器的值不同控制着不同的LED点亮，而寄存器的值在每次计数器计数到24999999时改变，这样每隔1秒时间，寄存器的值改变，对应控制8个LED按照同一方向循环闪烁，就实现了流水灯的功能。 | + | |
| 行 29: | 行 26: | ||
| ====硬件连接==== | ====硬件连接==== | ||
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| - | 结合实验平台[[STEP-Baseboard]]的硬件配置，我们使用8个LED灯作为流水灯的输出 | ||
| - | {{ :图10.LED模块电路连接.png |LED模块电路连接}} | + | 为了方便我们在硬件平台上更直观的观察，我们使用25MHz时钟晶振分频产生1Hz的信号作为序列检测的时钟，按键信号作为按键消抖的信号输入，LED灯LD1和LD2分别作为按键消抖的脉冲和状态输出指示。 |
| + | {{ :按键硬件图.jpg |按键硬件图}} | ||
| + | {{ :led电路连接.jpg |LED电路连接}} | ||
| ====代码设计==== | ====代码设计==== | ||
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| - | ===设计文件=== | ||
| - | {{ :流水灯程序设计.jpg |流水灯程序设计}} | + | {{ :按键消抖程序设计.jpg |按键消抖程序设计}} |
| - | 为了实现对8个LED的控制，我们设计了25位的计数器cnt进行1s周期的循环计数，同时我们定义了一个4位寄存器led_cnt作为状态机的状态控制流水灯的闪烁。状态机共有8个状态，每一个状态对应点亮一个LED灯。 | + | 如上图所示，我们首先进行边沿检测，边沿检测的方法是定义一个寄存器对输入信号进行锁存，然后将寄存器的数据与下一个时刻的输入信号做对比，如果两者不相等则认为输入信号在这个时间段发生了变化，产生了边沿，key_an产生高电平的脉冲。 |
| - | + | ||
| - | 首先是计数器的设计，计数器的计数范围为0~CNT_NUM-1，为了实现每个LED灯1秒的点亮时间，设计文件代码中我们定义参数CNT_NUM为25000000，但是在仿真文件调用设计文件时，为了方便仿真，我们会将参数CNT_NUM重新赋值为10. | + | |
| <code verilog> | <code verilog> | ||
| - | reg [24:0] cnt = 25'd0; | + | reg key_rst; |
| - | always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin | + | //Register key_rst, lock key1_n to next clk |
| - | if(!rst_n_in) begin | + | always @(posedge clk or negedge rst_n) |
| - | cnt <= 25'd0; | + | if (!rst_n) key_rst <= 1'b1; |
| - | end else if(cnt>=CNT_NUM-1) begin | + | else key_rst <=key1_n; |
| - | cnt <= 25'd0; | + | |
| - | end else begin | + | |
| - | cnt <= cnt + 25'd1; | + | |
| - | end | + | |
| - | end | + | |
| - | </code> | + | |
| - | 然后我们需要对状态机的状态进行控制，使得作为状态的寄存器led_cnt实现从0到7的循环加一操作。 | + | //Detect the edge of key1_n |
| - | + | wire key_an = (key_rst==key1_n)? 0:1; | |
| - | <code verilog> | + | |
| - | reg [3:0] led_cnt = 4'd0; | + | |
| - | always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin | + | |
| - | if(!rst_n_in) begin | + | |
| - | led_cnt <= 4'd0; | + | |
| - | end else if(cnt==CNT_NUM-1) begin | + | |
| - | if(led_cnt==4'd7) led_cnt <= 4'd0; | + | |
| - | else led_cnt <= led_cnt + 4'd1; | + | |
| - | end | + | |
| - | end | + | |
| </code> | </code> | ||
| - | 最后是组合逻辑，根据led_cnt的不同状态控制不同的LED点亮。 | + | 当key_an产生脉冲时，计数器cnt清零并计数，因为我们要采集输入信号变化后20ms的状态值，系统时钟25MHz，计数器终值 = 25MHz/50 = 500000，所以计数器计数到500000时采样。 |
| <code verilog> | <code verilog> | ||
| - | always@(led_cnt) begin | + | reg low_sw; |
| - | case(led_cnt) | + | //Lock the status to register low_sw when cnt count to 19'd500000 |
| - | 4'd0: led_out = 8'b1111_1110; | + | always @(posedge clk or negedge rst_n) |
| - | 4'd1: led_out = 8'b1111_1101; | + | if (!rst_n) low_sw <= 1'b1; |
| - | 4'd2: led_out = 8'b1111_1011; | + | else if (cnt == 19'd500000) |
| - | 4'd3: led_out = 8'b1111_0111; | + | low_sw <= key1_n; |
| - | 4'd4: led_out = 8'b1110_1111; | + | |
| - | 4'd5: led_out = 8'b1101_1111; | + | |
| - | 4'd6: led_out = 8'b1011_1111; | + | |
| - | 4'd7: led_out = 8'b0111_1111; | + | |
| - | default: led_out = 8'b1111_1111; | + | |
| - | endcase | + | |
| - | end | + | |
| </code> | </code> | ||
| - | ===测试文件=== | + | 然后对将采样寄存器low_sw的数据锁存至寄存器low_sw_r，然后检测下降沿（因为我们的硬件是按键时输出低电平，采用下降沿实时性更好一些）。 |
| - | + | ||
| - | 测试文件中我们需要对设计文件中的参数CNT_NUM进行重新赋值 | + | |
| <code verilog> | <code verilog> | ||
| - | parameter CNT_NUM = 10; | + | //Detect the negedge of low_sw, generate pulse |
| - | Water_led #(.CNT_NUM(CNT_NUM)) | + | assign key_pulse= low_sw_r & ( ~low_sw); |
| - | Water_led_uut | + | |
| - | ( | + | |
| - | .clk_in(sys_clk), | + | |
| - | .rst_n_in(sys_rst_n), | + | |
| - | .led_out(led_out) | + | |
| - | ); | + | |
| </code> | </code> | ||
| 引脚分配如下： | 引脚分配如下： | ||
| - | ^ 管脚名称 | clk_in| rst_n_in | led_out[0] |led_out[1] |led_out[2] |led_out[3] |led_out[4] |led_out[5] |led_out[6] |led_out[7] | | + | ^ 管脚名称 | clk| rst_n | key_n | key_pulse |key_state | |
| - | ^ FPGA管脚 | C1 | A2 |B14 |C14 |E14 |F14 |G14 |J14 |K14 |L14 | | + | ^ FPGA管脚 | C1 | A2 | B7 | A3 |A7 | |
| - | ====仿真结果==== | + | ====运行结果==== |
| - | {{:流水灯仿真.jpg|流水灯仿真}} | + | {{:img20160612165641.jpg?500 |按}} |
| + | |||
| + | {{:img20160612165704.jpg?500|再按}} | ||
| ====资源报告==== | ====资源报告==== | ||
| ^ 资源 | 数量 | 比例 | 说明 | | ^ 资源 | 数量 | 比例 | 说明 | | ||
| - | ^ LUTs | 28 | 4% | | | + | ^ LUTs | 16 | 3% | | |
| - | ^ 寄存器 | 33 | 2% | | | + | ^ 寄存器 | 23 | 1% | | |
| ^ 存储器 | 0 | 0% | | | ^ 存储器 | 0 | 0% | | | ||
| - | ^ IO管脚 | 10 | | | | + | ^ IO管脚 | 5 | | | |
| ^ 时钟频率 | 25MHz | | | | ^ 时钟频率 | 25MHz | | | | ||
| ====知识点==== | ====知识点==== | ||
| - | * 分频设计 | + | * 按键消抖原理 |
| - | * 时序控制 | + | * 边沿检测设计 |
| - | * 简单状态机 | + | |
| 行 135: | 行 101: | ||
| ^ **文件名称** | **功能** | | ^ **文件名称** | **功能** | | ||
| - | ^ **[[Water_led.v]]** | **流水灯** | | + | ^ **[[Debounce.v]]** | **按键消抖** | |
| - | ^ **[[Water_led_test.v]]** | **测试文件** | | + | |