按键消抖

在之前的实验中我们学习了如何用按键作为FPGA的输入控制,在本实验中将学习如何进行按键消抖,用按键完成更多的功能。

====硬件说明====

按键是一种常用的电子开关,电子设计中不可缺少的输入设备。当按下时使开关导通,松开时则开关断开,内部结构是靠金属弹片来实现通断。

按键抖动的原理
抖动原理

  • 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:一般我们采用软件方法消抖。即检测到按键按下动作之后进行10ms~20ms左右的延时,当前沿的抖动消失之后再一次检测按键的状态。如果仍然是按下的电平状态,则认为这是一次真正的按键按下;同样检测到按键释放,也要做10ms~20ms延时,检测到后沿抖动消失后认为是一个完整的按键弹起过程。
  • 消抖的好处:执行按键消抖有两个好处,
    • 消除误触发:我们想通过按键来翻转信号(例如按下一次led亮,在按一次led灭),如果没有进行消抖,则会产生很多误触发造成不必要的翻转。
    • 记录按键次数:执行按键消抖可以让我们记录按键动作的次数,在很多应用里这非常有用。


点亮LED实验中我们知道了小脚丫板子上按键的设计,当按键未被按下时,连接到FPGA管脚认为是高电平;当按键被按下时,连接到FPGA管脚认为是低电平。


要消除按键的抖动,我们需要去扫描按键,也就是不断的去采集按键的状态。软件消抖时我们一般只考虑按键按下时的抖动,而放弃对释放时抖动的消除。用系统时钟(频率较高)去采集按键状态,当检测到按下时用计数器延时20ms,再去检测按键状态,如果这时仍为按下状态,确认是一次按下动作,否侧的话认为无按键按下。如何检测按键状态变化就需要用到脉冲边沿检测的方法。


脉冲边沿检测


检测按键按下时要用到脉冲边沿检测的方法,捕捉信号的突变、捕捉时钟的上升下降沿等经常会用到这种方法。简单地说就是用一个频率更高的时钟去触发要检测的信号,用两个寄存器去储存相邻两个时钟采集到的值,然后进行异或运算,如果不为零,代表发生了上升沿或者下降沿。


在按键消抖的过程中,同样运用了脉冲边沿检测。用两个寄存器储存相邻时钟采集的值(例如datapre,data),然后将data取反与前一个值相与(state=datapre&(~data)),如果为1,则判断有下降沿既按键按下由高到低;否则无变化。
将一个信号由连续时钟采集,相邻两个钟触发的值存入两个寄存器。理解verilog实现这个过程要充分了解其中的非阻塞赋值


====Verilog代码====

本实验主要通过按键来控制led的翻转,当按下一次led变亮,再按下一次led变暗。首先我们做个试验,对按键不做处理通过按键来控制led翻转。

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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// ********************************************************************
// File name    : top.v
// Module name  : top
// Author       : STEP
// Description  : control led through the button
// Web          : www.stepfpga.com
// 
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History : 
// --------------------------------------------------------------------
// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.0     |2017/03/02   |Initial ver
// --------------------------------------------------------------------
// Module Function:按键控制led翻转,未做消抖
 
module top(
		key,          //按键输入
		rst,          //复位输入
		led           //led输出
		);
 
	input key,rst;
	output reg led;
 
	always @(key or rst)
		if (!rst)             //复位时led熄灭
			led = 1;
		else if(key == 0)     
			led = ~led;   //按键按下时led翻转
		else
			led = led;
endmodule


未经过消抖的程序下载到小脚丫上会发现按键有时不能够控制led翻转,这是因为按键的抖动造成了led状态变化不可控,所以我们必须将抖动消除。下面是一种延时去抖的程序

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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// ********************************************************************
// File name    : debounce.v
// Module name  : debounce
// Author       : STEP
// Description  : 
// Web          : www.stepfpga.com
// 
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History : 
// --------------------------------------------------------------------
// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.0     |2017/03/02   |Initial ver
// --------------------------------------------------------------------
// Module Function:按键消抖
 
module debounce (clk,rst,key,key_pulse);
 
        parameter       N  =  1;                      //要消除的按键的数量
 
	input             clk;
        input             rst;
        input 	[N-1:0]   key;                        //输入的按键					
	output  [N-1:0]   key_pulse;                  //按键动作产生的脉冲	
 
        reg     [N-1:0]   key_rst_pre;                //定义一个寄存器型变量存储上一个触发时的按键值
        reg     [N-1:0]   key_rst;                    //定义一个寄存器变量储存储当前时刻触发的按键值
 
        wire    [N-1:0]   key_edge;                   //检测到按键由高到低变化是产生一个高脉冲
 
        //利用非阻塞赋值特点,将两个时钟触发时按键状态存储在两个寄存器变量中
        always @(posedge clk  or  negedge rst)
          begin
             if (!rst) begin
                 key_rst <= {N{1'b1}};                //初始化时给key_rst赋值全为1,{}中表示N个1
                 key_rst_pre <= {N{1'b1}};
             end
             else begin
                 key_rst <= key;                     //第一个时钟上升沿触发之后key的值赋给key_rst,同时key_rst的值赋给key_rst_pre
                 key_rst_pre <= key_rst;             //非阻塞赋值。相当于经过两个时钟触发,key_rst存储的是当前时刻key的值,key_rst_pre存储的是前一个时钟的key的值
             end    
           end
 
        assign  key_edge = key_rst_pre & (~key_rst);//脉冲边沿检测。当key检测到下降沿时,key_edge产生一个时钟周期的高电平
 
        reg	[17:0]	  cnt;                       //产生延时所用的计数器,系统时钟12MHz,要延时20ms左右时间,至少需要18位计数器     
 
        //产生20ms延时,当检测到key_edge有效是计数器清零开始计数
        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;                //延时后检测电平寄存器变量
        reg     [N-1:0]   key_sec;                    
 
 
        //延时后检测key,如果按键状态变低产生一个时钟的高脉冲。如果按键状态是高的话说明按键无效
        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


以上就是一个N位按键的消抖程序,如果有按键按下会输出一个时钟周期的高脉冲。下面我们可以试试用这个按键消抖的输出来触发LED的显示,既按键一次LED翻转。你也可以不加按键消抖试试用按键来控制LED(按一次变亮,再按一次灭掉)。


下面的程序是例化调用debounce模块来控制LED

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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
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// File name    : top.v
// Module name  : top
// Author       : STEP
// Description  : 
// Web          : www.stepfpga.com
// 
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// Code Revision History : 
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// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.0     |2017/03/02   |Initial ver
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// Module Function:进过按键消抖后控制led显示翻转
 
module top (clk,rst,key,led);
 
        input             clk;
        input             rst;
        input 	          key;                      				
	output   reg      led;        
 
        wire              key_pulse;
 
        //当按键按下时产生一个高脉冲,翻转一次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,这里没有传递参数N,采用了默认的N=1     
         debounce  u1 (                               
                       .clk (clk),
                       .rst (rst),
                       .key (key),
                       .key_pulse (key_pulse)
                       );
 endmodule


====引脚分配====

设置好复位键可消抖的按键,编译完成后下载,通过按键就可以翻转LED。你也可以定义多个按键控制多个LED,还可以比较不加按键消抖情况下实际的效果对比如何。

信号 引脚
clk C1
rst L14
key N14
led N13

====小结====

在本实验学习了如何进行按键的消抖。在很多应用情况下我们必须采取消抖才能更好地控制逻辑。在下一个实验计时控制中我们将学习计时的显示和控制,在这里我们要用到按键的消抖以及数码管,我们甚至可以用小脚丫做一个计时器甚至电子表。