FPGA按键消抖

简介

按键

按键是输入设备，一般来说，按键在没有按下的时候是高电平；当按键按下的时候，为低电平。

在DE2-70 User Manual中

Each switch provides a high logic level (3.3 volts) when it is not pressed, and provides a low logic level (0 volts) when depressed. Since the pushbutton switches are debounced, they are appropriate for use as clock or reset inputs in a circuit.

这里介绍到了按键抖动（Button Bouncing）和按键消抖（Button Debouncing）。

按键消抖

按键消抖通常的按键所用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。

上图描述的是硬件的按键消抖。可见，消抖后，一次按键，只产生了一次电平变化。

这对我们接下来利用按键意义重大。

物理消抖

简单介绍下实现上图的消抖。

电容滤波

将电容并联在按键的两端，利用电容的放电的延时特性。将产生抖动的电平通过电容吸收掉。从而达到消抖的作用。

RS触发器

利用RS触发器来吸收按键的抖动。一旦有键按下，触发器立即翻转，触电的抖动便不会再对输出产生影响。

程序消抖

按键在FPGA中必不可少，我们需要利用按键对一些变量进行累加或累减。比如频率、分数等。

未消抖

在一开始的学习中，我们可能只用到了开关（switch），编写开关控制的程序类似于将开关当作一个布尔（Boolean）变量。

但是按键与开关不同，以下面这段代码为例，期望作用是 按键按下后，LED灯状态改变。

module Test(
    input       sys_clk,
    input       rst_n,
    input       key,
    output  reg led
);
    always@(posedge sys_clk or negedge rst_n)
    begin
        if(rst_n == 1'b0) 
            led <= 1'b0;
        else if(key == 1'b0)
            led <= ~led;
        else
            led <= led;
    end
endmodule

然而，上板测试发现，LED状态灯一直处于不亮的状态。

假设，我们的时钟频率是50MHz，那么它的周期就是20ns。

那么，在你按按钮的全过程中，按下的状态持续了多长时间呢？

显然，远大于20ns，所以LED会多次取反。所以这种简单粗暴的方法是不适合按键的。

消抖

我们刚刚的问题是，短时间内重复检测，从而多次执行了按键后的行为。

可以想到，给这个按键定个时：当有按键按下，计数器不断自增，若因为抖动，则计数器会清空，重新计数，当不抖动的时候，就会计满，此时才会判定为按键按下。

代码

// 定时器消除抖动
module key_filter(
    input	wire            sys_clk,          // 50M时钟
    input   wire         	sys_rst_n,        // 复位信号，低电平有效
    input   wire      		key,              // 按键输入

    output 	reg       		key_flag,         // 按键信号有效信号
	output 	reg       		key_value         // 消抖后的按键信号  
   );
 
    reg [31:0] delay_cnt;	// 32位定时器
	reg        key_reg; 

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin 
    if (!sys_rst_n) begin 
        key_reg   <= 1'b1;
        delay_cnt <= 32'd0;
    end
    else begin
        key_reg <= key;
        if(key_reg != key)             // 检测到按键状态发生变化(按下 或 释放)
            delay_cnt <= 32'd1000000;  // 计数器装载初始值（计数时间为20ms）
        else if(key_reg == key) begin  // 按键状态稳定时，计数器递减，开始20ms倒计时
            if(delay_cnt > 32'd0) 	   // 不稳定时，重新计时
                     delay_cnt <= delay_cnt - 1'b1;
                 else
                     delay_cnt <= delay_cnt;
             end           
    end   
end

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin 
    if (!sys_rst_n) begin 			   // 复位
        key_flag  <= 1'b0;			   // 无效
        key_value <= 1'b1;             // 高电平为未按下
    end
    else begin
        if(delay_cnt == 32'd1) begin   // 按键稳定状态维持了20ms
            key_flag  <= 1'b1;         // 此时消抖过程结束，信号有效
            key_value <= key;          // 保存此时按键信号
        end							   
        else begin
            key_flag  <= 1'b0;
            key_value <= key_value; 
        end  
    end   
end
    
endmodule 

---

如此，我们再重新写下刚刚的未消抖程序。

module Test(
      input   	    	sys_clk,     // 系统时钟
      input   	    	rst_n,       // 复位信号，低电平有效
      input       	    key,	     // 按键信号       
	  output    reg     led			 // LED灯
  );
  
wire key_value;
wire key_flag;
// 例化
key_filter	key_filter_inst(
    .sys_clk		(sys_clk),     // 50M时钟
    .sys_rst_n		(sys_rst_n),   // 复位信号，低电平有效
    .key            (key),         // 按键输入)

    .key_flag		(key_flag),    // 按键信号有效信号
    .key_value      (key_value)    // 按键消抖后的数据  
);
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if(!sys_rst_n)	
	begin
		led <= 1'b0;
	end
    else if(key_flag && (~key_value))  // 按键是否有效按下
	begin						
		 led  <= ~led;
	end
    else
    begin
        led <= led;
    end
end
endmodule 

成功，按键可以控制LED灯亮与熄灭。仿真略。

这是简单的计时消抖，读者有兴趣可阅读学习状态机的方法。

参考文献

[1] 按键的硬件消抖电路原理详解

[2] FPGA要按键实现四个数码管加减计数怎么搞？

[3] FPGA学习—按键控制

[4] DE2-70 User Manual