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7._按键消抖 [2017/03/06 01:54] zhijun |
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行 1: | 行 1: | ||
- | =====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。 | ||
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- | ====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。 | ||
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- | **按键抖动的原理** | ||
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- | {{ :抖动原理.png |抖动原理}} | ||
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- | - 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。 | ||
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- | 在[[1. 点亮LED|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。 | ||
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- | 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。在FPGA里有两种去抖思路: | ||
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- | \\ | ||
- | 1)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。\\ | ||
- | 2)把系统时钟分频产生一个周期为20ms时钟,用这个时钟去检测按键状态,如果检测到按下则认为是一次按键按下动作。 | ||
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- | \\ | ||
- | **脉冲边沿检测** | ||
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- | \\ | ||
- | 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data_pre,data),然后将data取反与前一个值相与(state=data_pre&(~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]]。 | ||
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- | \\ | ||
- | ====Verilog代码==== | ||
- | ------ | ||
- | 模块化设计是用硬件描述语言进行数字电路设计的精髓,代码可重复利用。而且模块化的设计使得程序的结构也很清晰。这里我们首先看看流水灯的模块化设计。利用了之前的3-8译码器和分频器,你需要把这两个程序也拷贝到一个工程。 | ||
- | <code verilog> | ||
- | |||
- | // ******************************************************************** | ||
- | // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 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 | ||
- | end | ||
- | assign key_pulse = key_sec_pre & (~key_sec); | ||
- | |||
- | endmodule | ||
- | |||
- | </code> | ||
- | |||
- | \\ | ||
- | |||
- | 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 | ||
- | \\ | ||
- | <code verilog> | ||
- | // ******************************************************************** | ||
- | // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< | ||
- | // ******************************************************************** | ||
- | // File name : top.v | ||
- | // Module name : top | ||
- | // Author : STEP | ||
- | // Description : | ||
- | // Web : www.stepfpga.com | ||
- | // | ||
- | // -------------------------------------------------------------------- | ||
- | // Code Revision History : | ||
- | // -------------------------------------------------------------------- | ||
- | // Version: |Mod. Date: |Changes Made: | ||
- | // V1.0 |2017/03/02 |Initial ver | ||
- | // -------------------------------------------------------------------- | ||
- | // Module Function:进过按键消抖后控制led显示翻转 | ||
- | |||
- | module debounce (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 | ||
- | </code> | ||
- | |||
- | \\ | ||
- | ====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[[8. 计时控制|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。 | ||