FPGA学习之按键去抖

按键仿真的例程，仿照黑金开发板03_key_detect_1例程，分为两个模块，分别是detect模块、delay模块，detect模块检测输入key_in信号的变化，delay模块负责延时去抖；

两个模块并不复杂，但是在test bench上仿真花费相当多的时间，波形图一直不是我想要的输出类型，折腾了一天，决定先下载到开发板上看看效果，结果效果却是我想要的输出类型，这就更加让我郁闷了，怎么仿真都不行呢？

按说当时应该可以明确的一点就是程序本省应该没有多大的问题，但是当时并没有意识到这里，这点以后还是要加强啊。随后我又多次查看的程序本身，并单独对detect模块进行仿真测试，波形是正确的，delay模块的波形始终有问题，经过分析，我将原来的test bench文件又看了看，并对应波形比较了比较，发现问题出现仿真的周期上。看下test bench文件，

`timescale 10ns / 1ps

module key_tf;

// Inputs

reg clk;

reg rst;

reg key_in;

parameter T = 5'd20;

parameter TMS = 21'd1500_000; //15ms

// Outputs

wire LED;

// Instantiate the Unit Under Test (UUT)

key uut (

.clk(clk),

.rst(rst),

.key_in(key_in),

.LED(LED)

);

always begin

clk = 1;

# (T/2);

clk = 0;

# (T/2);

end

always begin

key_in = 1;

#(TMS);

key_in = 0;

#(TMS*10);

end

initial begin

// Initialize Inputs

clk = 0;

rst = 1;

key_in = 0;

// Wait 100 ns for global reset to finish

#100;

rst = 0;

// Add stimulus here

end

endmodule

其实这里没什么东西，很简单的语句，就是自己在clk这里犯了浑，搞错了，而detect模块中基本上算是没有用到clk，所以delay模块出现问题时没有及时的找到问题的根源，我们知道test bench文件中已经设定clk的周期，这是我们通过always文件自己定义的，现在仿真的周期是10ns，clk的周期是我们设定的T = 20*10 = 200ns，而我却把10ns作为了我delay模块的时钟周期，所以造成了波形时钟延后很长一段时间，造成逻辑因此出现错误，在这个仿真周期上我算是栽了一个跟头，今后一定要引以为戒。把周期调整之后，波形就正确了，但是有一定的延时，估计是布线或者其他原因引起的问题，我暂时还没有学习到这一块，加油，继续FPGA之旅。

看了许久的按键消除抖动的例程，特权的、黑金的，对于按键的消抖有了一些了解，首先先说说我们单片机通常的消抖是怎样做的，read按键值，如果按键被按下，延时10ms，再次读取按键值，如果按键确实被按下，则确认按键动作执行。这种按键去抖的方式有时候并不是特别管用，可以采用按键按下，然后抬起作为一次按键操作，执行流程是如下程序，

uint8_t keydata = 0;

static uint8_t keyup = 0;

if(keyup && (keydata ^ 0xf0))

{

keyup = 0;

//延时10ms

Delay(10);

//读取按键值

keydata = GPIO_ReadInputPin(GPIOG, (GPIO_Pin_TypeDef)(HR1|HR2|HR3));

if(keydata ^ 0xf0)

{

return keydata;

}

}

//无按键按下时至keyup标志位

else if((keydata ^ 0xf0) == 0)

{

keyup = 1;

return 0;

}

这个程序是我用的最多的按键去抖程序，他的优点很明显就是能够防止按键误动作，不会出现按一次按键出现多次按键值的情况，缺点就是按键按一次只能有一次按键值，不能做连续的按键值输出，比如说有需要按键按下按键值能够连续相加的情况。

FPGA的按键去抖与单片机的去抖就会有些不同，这里也需要对按键进行去抖，当然消抖必然会进行延时，毕竟这些抖动信号是我们不需要的，黑金的例程中按键消抖处理感觉有点小问题，这里先看按键去抖的例程：

去抖程序分为两个模块，detect_module.v为电平检查模块

module detect_module

CLK, RSTn, Pin_In, H2L_Sig, L2H_Sig

output H2L_Sig;

output L2H_Sig;

/**********************************/

parameter T100US = 11'd4_999;//DB4CE15开发板使用的晶振为50MHz，50M*0.0001-1=4_999

/**********************************/

reg [10:0]Count1;

always @ ( posedge CLK or negedge RSTn )

Count1 <= 11'd0;

else if( Count1 == T100US )

Count1 <= Count1 + 1'b1;

/********************************************/

always @ ( posedge CLK or negedge RSTn )

H2L_F1 <= 1'b1;

H2L_F2 <= 1'b1;

L2H_F1 <= 1'b0;

L2H_F2 <= 1'b0;

H2L_F1 <= Pin_In;

H2L_F2 <= H2L_F1;

L2H_F1 <= Pin_In;

L2H_F2 <= L2H_F1;

/***********************************/

assign H2L_Sig = isEn ? ( H2L_F2 & !H2L_F1 ) : 1'b0;

assign L2H_Sig = isEn ? ( !L2H_F2 & L2H_F1 ) : 1'b0;

/***********************************/

这里先说这个isEn，因为电平检测模块是非常敏感，在复位的一瞬间，电平容易处于不稳定的状态，我们需要延迟 100us。 isEn = 1 寄存器是表示 100us 的延迟已经完成。H2L_F1, H2L_F2, L2H_F1, L2H_F2四个reg变量主要是用来检测电平变化的H2L_F2 & !H2L_F1这里是检测高电平到低电平的变化，也就是按键按下时电平会由高电平下降到低电平，这时信号为输出为高，一个时钟节拍之后信号输出为低电平（信号持续一个时钟周期），!L2H_F2 & L2H_F1这里是检测低电平到高电平的变化，也就是按键抬起时电平会由低电平上升至高电平，电平变化的信号有了，后面的delay_module.v模块就能够进行延时输出信号了。

module delay_module

CLK, RSTn, H2L_Sig, L2H_Sig, Pin_Out

output Pin_Out;

/****************************************/

parameter T1MS = 16'd49_999;//DB4CE15开发板使用的晶振为50MHz，50M*0.001-1=49_999

/***************************************/

reg [15:0]Count1;

always @ ( posedge CLK or negedge RSTn )

Count1 <= 16'd0;

else if( isCount && Count1 == T1MS )

Count1 <= 16'd0;

else if( isCount )

Count1 <= Count1 + 1'b1;

else if( !isCount )

Count1 <= 16'd0;

/****************************************/

reg [3:0]Count_MS;

always @ ( posedge CLK or negedge RSTn )

Count_MS <= 4'd0;

else if( isCount && Count1 == T1MS )

Count_MS <= Count_MS + 1'b1;

else if( !isCount )

Count_MS <= 4'd0;

/******************************************/

always @ ( posedge CLK or negedge RSTn )

isCount <= 1'b0;

rPin_Out <= 1'b0;

if( H2L_Sig ) i <= 2'd1;

else if( L2H_Sig ) i <= 2'd2;

if( Count_MS == 4'd10 ) begin isCount <= 1'b0; rPin_Out <= 1'b1;

isCount <= 1'b1;

if( Count_MS == 4'd10 ) begin isCount <= 1'b0; rPin_Out <= 1'b0;

else isCount <= 1'b1;

/********************************************/

assign Pin_Out = rPin_Out;

/********************************************/

延时程序在接收到H2L_Sig和 L2H_Sig时会跳转到相应的case条件，如果是H2L_Sig高到低信号产生，首先延时10ms，然后Pin_Out输出高电平，当接收到 L2H_Sig低到高信号产生，同样首先延时10ms，然后Pin_Out输出低电平，这样程序就会在按键按下时点亮LED灯，按键抬起后熄灭LED灯，延时10ms达到消除抖动的目的。

这样的延时消抖是不是存在弊端？在延时之后并没有查看按键的当前值，如果出现误触发的情况，时间小于10ms，这样就会本来是误动作却引起输出为高电平的情况（L2H_Sig由于延时并不能响应），当然这是理论上的情况，实际中很难发生。

黑金的按键去抖程序总体而言是非常清晰，容易理解，也比较实用，接下来看看特权的按键消抖程序。

/说明：当三个独立按键的某一个被按下后，相应的LED被点亮；

// 再次按下后，LED熄灭，按键控制LED亮灭

module sw_debounce(

sw1_n,sw2_n,sw3_n,

led_d1,led_d2,led_d3

input clk; //主时钟信号，50MHz

input rst_n; //复位信号，低有效

input sw1_n,sw2_n,sw3_n; //三个独立按键，低表示按下

output led_d1,led_d2,led_d3; //发光二极管，分别由按键控制

//---------------------------------------------------------------------------

reg[2:0] key_rst;

always @(posedge clk or negedge rst_n)

if (!rst_n) key_rst <= 3'b111;

else key_rst <= {sw3_n,sw2_n,sw1_n};

reg[2:0] key_rst_r;

always @ ( posedge clk or negedge rst_n )

if (!rst_n) key_rst_r <= 3'b111;

else key_rst_r <= key_rst;

//当寄存器key_rst由1变为0时，led_an的值变为高，维持一个时钟周期

wire[2:0] key_an = key_rst_r & ( ~key_rst);

//wire [2:0]key_an = key_rst_r ^ key_rst; // 注：也可以这样写

//---------------------------------------------------------------------------

reg[19:0] cnt; //计数寄存器

always @ (posedge clk or negedge rst_n)

if (!rst_n) cnt <= 20'd0; //异步复位

else if(key_an) cnt <=20'd0;

else cnt <= cnt + 1'b1;

reg[2:0] low_sw;

always @(posedge clk or negedge rst_n)

if (!rst_n) low_sw <= 3'b111;

else if (cnt == 20'hfffff) //满20ms，将按键值锁存到寄存器low_sw，cnt == 20'hfffff

low_sw <= {sw3_n,sw2_n,sw1_n};

//---------------------------------------------------------------------------

reg [2:0] low_sw_r; //每个时钟周期的上升沿将low_sw信号锁存到low_sw_r中

always @ ( posedge clk or negedge rst_n )

if (!rst_n) low_sw_r <= 3'b111;

else low_sw_r <= low_sw;

//当寄存器low_sw由1变为0时，led_ctrl的值变为高，维持一个时钟周期

wire[2:0] led_ctrl = low_sw_r[2:0] & ( ~low_sw[2:0]);

always @ (posedge clk or negedge rst_n)

if (!rst_n) begin

else begin //某个按键值变化时，LED将做亮灭翻转

if ( led_ctrl[0] ) d1 <= ~d1;

if ( led_ctrl[1] ) d2 <= ~d2;

if ( led_ctrl[2] ) d3 <= ~d3;

assign led_d3 = d1 ? 1'b1 : 1'b0; //LED翻转输出

assign led_d2 = d2 ? 1'b1 : 1'b0;

assign led_d1 = d3 ? 1'b1 : 1'b0;

其实这段程序并没有什么比较难理解的逻辑，与黑金的程序有所不同，这里的特权的程序是确定按键按下之后产生一个信号，LED输出一个状态（黑金是两个状态），程序的执行顺序是，按键扫描到按键值由1变位0时，通过移位比较的方式得到电平变化的信号，信号触发计数器重新计数，当计数值为20ms时，读取按键值，再次进行移位比较，如果按键值由1变位0，则确实为按键按下，执行led信号输出（信号反转）。这段程序中我自己认为比较难以理解的地方，主要是两次移位比较，像黑金那样进行高到低，低到高的移位比较比较容易理解，这里只是进行了高到低的移位比较，并且进行了两次，因此理解起来可能有点不太习惯（我自己就是这样的）。

wire[2:0] key_an = key_rst_r & ( ~key_rst);

这里明显是1到0时key_an为高，这里与单个信号是操作不同的是key_rst用的是取反而不是取非操作，状态由1到0是按键刚按下的时刻，key_an输出为高才能进行下面的操作。

wire[2:0] led_ctrl = low_sw_r[2:0] & ( ~low_sw[2:0]);

这里与黑金的有所不同，黑金是对两种状态1到0和0到1，产生两种信号，而这里与上次产生的key_an信号都是由1到0产生，也上个信号存在一个20ms的时间差，这样就起到了延时去抖的目的，这里说明一点是，延时过程中low_sw信号是没有更新的，也就是说一旦key_an信号产生，low_sw信号20ms之后才能更新，这样就能够保证low_sw_r是20ms之前的，也就是未发生改变的按键值，而延时之后跟新的low_sw则是最新的值，这样就能够判断是否是1到0的信号变化了。led_ctrl信号为高就会产生led信号反转，也就是LED的亮或灭。也黑金比较的话这里能够真正起到延时去抖的作用，按键按下会产生一个触发信号。另外一点必须要说的的是这个延时else if (cnt == 20'hfffff)这里，20ms的延时时间不算长，在key_an为低电平时，这里的计数值也是在增加的，也是达到20'hfffff，这样low_sw也是在更新之中，这也是通常会忽视的地方，这里的更新能够很好的记录下按键未触发之前的状态，虽然不能保证很实时吧（毕竟20ms的更新速度），相对于按键触发来说很短暂的，如果将led_ctrl修改为由0到1的信号触发其实也能达到按下一次按键led点亮或者熄灭，理论与实践我都测试了，通过信号波形也看到了结果，确实可行，只不过是两个产生的原因是不同的，不是key_an激发的，是按键本身触发的，毕竟有20ms延时的采样。

按键去抖是一个简单的小程序，但是有时候一点改变影响的效果确实是不一样的，就像用C语言写的按键去抖，一个抬起有效的按键去抖方式就能很好解决按键抖动的问题，FPGA也一样。

posted @ 2016-06-29 11:36 thinkwhat 阅读(6278) 评论(0) 编辑收藏举报

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