【黑金原创教程】【FPGA那些事儿-驱动篇I 】实验四：按键模块③ — 单击与双击

实验四：按键模块③ — 单击与双击

实验三我们创建了“点击”还有“长点击”等有效按键的多功能按键模块。在此，实验四同样也是创建多功能按键模块，不过却有不同的有效按键。实验四的按键功能模块有以下两项有效按键：

l 单击（按下有效）；

l 双击（连续按下两下有效）。

图4.1 单击有效按键，时序示意图。

实验四的“单击”基本上与实验三的“点击”一模一样，既按键被按下，经过消抖以后isSClick信号被拉高一个时钟，结果如图4.1所示，过程非常单调。反之，“双击”实现起来，会比较麻烦一些，因为我们还要考虑而外的细节，即人为连打极限。所谓人为连打极限就是两次按下按键之间的最短间隔。

如图4.2 双击有效按键，时序示意图（双击成功）。

根据笔者的理解，常人的连打极限是60ms左右，笔者是80ms左右，超人是20ms左右。

为了兼容常人还有笔者的连打极限，我们必须设置有效的连击时限，为此100ms是最好的选择。如图4.2所示，假设那是按键过程，笔者先是缓缓按下然后又缓缓释放按键完成第一次按键行为，结果有如往常般，按下事件发生，抖动发生，释放事件发生，抖动发生，但是 isDClick（Double Click）信号还有isSClick（Single Click）信号都没有产生高脉冲。

第一次按键完成以后就会引来第二次按键的黄金时间，亦即有效连击时限，在此笔者设为100ms。假设笔者在这100ms的黄金时间内按下按键，那么 isDClick信号会立即产生高脉冲。余下有如往常那样，抖动发生，释放事件发生，抖动发生 ... 对此，isSClick由始至终都没有状况发生。

如图4.3 双击有效按键，时序示意图（双击失败）。

假设笔者没在有限的100ms黄金时间内执行第二次按键按下的动作，那么“双击”就会失败，结果如图4.3所示。第一次按键过程与图4.2一样，反之第二次按键却不同了，如图4.3所示，第二次按键的按下事件是发生在100ms以后，为此isSClick产生高脉冲，然而isDClick信号却没有动静。

明白上述这些简单的原理以后，我们就可以开始建模了。

图4.4 实验四的建模图。

如图4.4所示，那是实验四的建模图，它有一位 KEY输入端，连接至按键资源。此外，它也有两位 LED输出端，分别连接两位LED资源。

key_funcmod.v

1.    module key_funcmod
2.    (
3.         input CLOCK, RESET,
4.         input KEY,
5.         output [1:0]LED
6.    );

以上内容为出入端的相关声明。

7.         parameter T10MS         = 28'd500_000;
8.         parameter T100MS     = 28'd5_000_000;
9.         parameter T200MS     = 28'd10_000_000;
10.         parameter T300MS     = 28'd15_000_000;
11.         parameter T400MS     = 28'd20_000_000;
12.         parameter T500MS     = 28'd25_000_000;
13.
14.         /**********************************/ //sub
15.
16.         reg F2,F1;
17.
18.         always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
19.             if( !RESET )
20.                  { F2, F1 } <= 2'b11;
21.              else
22.                  { F2, F1 } <= { F1, KEY };
23.
24.         /**********************************/ //core
25.
26.         wire isH2L = ( F2 == 1 && F1 == 0 );
27.         wire isL2H = ( F2 == 0 && F1 == 1 );

以上内容为相关常量声明，周边操作以及即时声明。第7~12行是各种时间的常量声明，除了10毫秒声明消抖时间以外，第8~12行的时间常量是用来自定义双击的敏感度。第18~23行是检测电平状态的周边操作，第26~27行则是按下事件还有释放事件。

28.         reg [3:0]i;
29.         reg isDClick,isSClick;
30.         reg [1:0]isTag;
31.         reg [27:0]C1;
32.
33.         always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
34.             if( !RESET )
35.                   begin
36.                         i <= 4'd0;
37.                         isDClick <= 1'd0;
38.                         isSClick <= 1'b0;
39.                         isTag <= 2'd0;
40.                         C1 <= 28'd0;
41.                     end
42.              else

以上内容为相关寄存器声以及复位操作。i用作指向步骤，isDClick 还有 isSClick是用作标示“双击”还有“单击”。isTag是有效按键的标签，C1则用来计数。至于第33~41行则是核心操作的复位活动。

43.              case(i)
44.
45.                    0: // Wait H2L
46.                    if( isH2L ) begin i <= i + 1'b1; end
47.
48.                    1: // H2L debounce
49.                    if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
50.                    else C1 <= C1 + 1'b1;
51.
52.                    2: // Wait L2H
53.                    if( isL2H ) i <= i + 1'b1;
54.
55.                    3: // L2H debounce
56.                    if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
57.                    else C1 <= C1 + 1'b1;
58.
59.                    4: // Key Tag Check
60.                    if( isH2L && C1 <= T100MS -1 ) begin isTag <= 2'd2; C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
61.                    else if( C1 >= T100MS -1) begin isTag <= 2'd1; C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
62.                    else C1 <= C1 + 1'b1;
63.
64.                    5: // Key trigger press up
65.                    if( isTag == 2'd2 ) begin isDClick <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
66.                    else if( isTag == 2'd1 ) begin isSClick <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
67.
68.                    6: // Key trigger pree down
69.                    begin { isSClick , isDClick } <= 2'b00; i <= i + 1'b1; end
70.
71.                    7: // L2H deounce check
72.                    if( isTag == 2'd1 ) begin isTag <= 2'd0; i <= 4'd0; end
73.                    else if( isTag == 2'd2 ) begin isTag <= 2'd0; i <= i + 1'b1; end
74.
75.                    8: // Wait L2H
76.                    if( isL2H ) begin i <= i + 1'b1; end
77.
78.                    9: // L2H debounce
79.                    if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 28'd0; i <= 4'd0; end
80.                    else C1 <= C1 + 1'b1;
81.
82.            endcase

以上内容为核心操作。具体过程如下所示：

步骤0，等待第一次按下事件；

步骤1，过滤抖动；

步骤2，等待第一次释放事件；

步骤3，过滤抖动；

步骤4，如果100ms发生第二回按下事件，isTag设置为2，反之isTag设置为1；

步骤5~6，根据isTag的内容拉高又拉低 isDClick或者 isSClick；

步骤7，根据S内容，S为1便清除S然后返回步骤0。反之，isTag为2就清除isTag然后步骤继续前进；

步骤8，等待第二次释放事件；

步骤9:，过滤抖动然后返回步骤0。

83.
84.         /*************************/ // sub-demo
85.
86.        reg [1:0]D1;
87.
88.        always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
89.            if( !RESET )
90.                 D1 <= 2'd0;
91.             else if( isDClick )
92.                 D1[1] <= ~D1[1];
93.             else if( isSClick )
94.                 D1[0] <= ~D1[0];
95.
96.        /***************************/
97.
98.        assign LED = D1;
99.
100.    endmodule

以上内容为演示用的周边操作以及输出驱动声明。它会根据 isDClick 还有 isSClick的高脉冲翻转 D1[1] 还有 D1[0] 的内容。第98行则是输出驱动声明。编译完后便下载程序。

当我们双击 <KEY2> 建 LED[1] 就会发亮，然后再双击 <KEY2> 建 LED[1] 则会消灭，发生双击的前提条件是 ... 第一次按下时间的100ms之内必须发生第二次按下时间才能成立。换之，如果我们单击 <KEY2>建 LED[0] 便会发亮，再单击 <KEY2> 建 LED[0]则会消灭。

细节一： 双击的敏感度

  parameter T100MS     = 28'd5_000_000;
  parameter T200MS     = 28'd10_000_000;
  parameter T300MS     = 28'd15_000_000;
  parameter T400MS     = 28'd20_000_000;
  parameter T500MS     = 28'd25_000_000;

代码4.1

代码4.1是key_funcmod 的部分内容，亦即100ms~500ms的时间声明。所谓双击的敏感度就是按键第二次按下所有效的时限。事实上，有效时间100ms 已经足够应付一般“双击”要求，然而“双击”的敏感度除了人为连打极限这个因数以外，还有按键资源本身。开发板常见的按键都是经济型机械按键，手感较为迟钝，所以有效时间推荐在100ms~500ms范围之内。

如果读者所使用的按键资源是精致的家伙，想必手感一定很爽，例如鼠标之类的按键，100ms 有效时间可能会影响双击的敏感度。为此，有效时间必须设置在 40ms~100ms的范围，常见的有效时间是50ms。最后不管怎么样，手感还有敏感度这种东西非常暧昧，完全因人而异 ... 也有传言说那些骨灰级的游戏鼠标是可以自定义敏感度，事实究竟如何？对于笔者这种游戏冷漠者则是永远的迷。

细节二：完成的个体模块

图4.5 完整的按键功能模块。

如图4.5所示，那是完整的按键功能模块，输入端一边的KEY连接至按键资源，Trig[1]产生“单击”的个高脉冲，Trig[0]产生“双击”的个高脉冲。

key_funcmod.v

1.    module key_funcmod
2.    (
3.         input CLOCK, RESET,
4.         input KEY,
5.         output [1:0]oTrig
6.    );
7.         parameter T10MS         = 28'd500_000;
8.         parameter T100MS     = 28'd5_000_000;
9.         parameter T200MS     = 28'd10_000_000;
10.         parameter T300MS     = 28'd15_000_000;
11.         parameter T400MS     = 28'd20_000_000;
12.         parameter T500MS     = 28'd25_000_000;
13.
14.         /**********************************/ //sub
15.
16.         reg F2,F1;
17.
18.         always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
19.             if( !RESET )
20.                  { F2, F1 } <= 2'b11;
21.              else
22.                  { F2, F1 } <= { F1, KEY };
23.
24.         /**********************************/ //core
25.
26.         wire isH2L = ( F2 == 1 && F1 == 0 );
27.         wire isL2H = ( F2 == 0 && F1 == 1 );
28.         reg [3:0]i;
29.         reg isDClick,isSClick;
30.         reg [1:0]isTag;
31.         reg [27:0]C1;
32.
33.         always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
34.             if( !RESET )
35.                   begin
36.                         i <= 4'd0;
37.                         isDClick <= 1'd0;
38.                         isSClick <= 1'b0;
39.                         isTag <= 2'd0;
40.                         C1 <= 28'd0;
41.                     end
42.              else
43.                  case(i)
44.
45.                         0: // Wait H2L
46.                         if( isH2L ) begin i <= i + 1'b1; end
47.
48.                         1: // H2L debounce
49.                         if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
50.                         else C1 <= C1 + 1'b1;
51.
52.                         2: // Wait L2H
53.                         if( isL2H ) i <= i + 1'b1;
54.
55.                         3: // L2H debounce
56.                         if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
57.                         else C1 <= C1 + 1'b1;
58.
59.                         4: // Key Tag Check
60.                         if( isH2L && C1 <= T100MS -1 ) begin isTag <= 2'd2; C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
61.                         else if( C1 >= T100MS -1) begin isTag <= 2'd1; C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
62.                         else C1 <= C1 + 1'b1;
63.
64.                         5: // Key trigger press up
65.                         if( isTag == 2'd2 ) begin isDClick <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
66.                         else if( isTag == 2'd1 ) begin isSClick <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
67.
68.                         6: // Key trigger pree down
69.                         begin { isSClick , isDClick } <= 2'b00; i <= i + 1'b1; end
70.
71.                         7: // L2H deounce check
72.                         if( isTag == 2'd1 ) begin isTag <= 2'd0; i <= 4'd0; end
73.                         else if( isTag == 2'd2 ) begin isTag <= 2'd0; i <= i + 1'b1; end
74.
75.                         8: // Wait L2H
76.                         if( isL2H ) begin i <= i + 1'b1; end
77.
78.                         9: // L2H debounce
79.                         if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 28'd0; i <= 4'd0; end
80.                         else C1 <= C1 + 1'b1;
81.
82.                    endcase
83.
84.        /***************************/
85.
86.        assign oTrig = { isSClick,isDClick };
87.
88.    endmodule