小梅哥和你一起深入学习FPGA之独立按键检测（上）

　　几乎没有哪一个系统没有输入输出设备，大到显示器，小到led灯，轻触按键。作为一个系统，要想稳定的工作，输入输出设备的性能占了很重要的角色。本实验，小梅哥就通过一个独立按键的检测实验，来正式步入基本外设驱动开发的大门。

　　一、 实验目的

　　实现4个独立按键的抖动检测实验，并通过4个独立按键控制4个led灯亮灭状态的翻转。

　　二、 实验原理

　　实际系统中常用的按键大部分都是轻触式按键，如图2-1所示。该按键内部由一个弹簧片和两个固定触点组成，当弹簧片被按下，则两个固定触点接通，按键闭合。弹簧片松开，两个触点断开，按键也就断开了。根据这种按键的机械特性，在按键按下时，会先有一段时间的不稳定期，在这期间，两个触点时而接通，时而断开，我们称之为抖动，当按键大约按下20ms后，两个触点才能处于稳定的闭合状态，按键松开时和闭合时情况类似。而我们的FPGA工作在很高的频率，按键接通或断开时任何一点小的抖动都能轻易的捕捉到，如果不加区分的将每一次闭合或断开都当做一次按键事件，那么势必一次按键动作会被FPGA识别为很多次按键操作，从而导致系统工作稳定性下降。

　　图2-1 轻触按键实物图

　　一次按键动作的大致波形如下图所示：

　　因此，我们所需要做的工作，就是滤除按键按下和释放时各存在的20ms的不稳定波形

　　三、 硬件设计

　　独立按键属于一种输入设备，其与FPGA连接的IO口被接上了10K的上拉电阻，在按键没有按下时，FPGA会检测到高电平;当按键按下后，FPGA的IO口上则将呈现低电平。因此，按键检测的实质就是读取FPGA的IO上的电平。

　　图3-1 独立按键典型电路

　　四、 架构设计

　　本实验由总共四个模块组成，分别为LED驱动模块、独立按键检测模块、控制模块和顶层模块，其架构如下：

　　以下为按键抖动检测的代码，采用状态机的方式编写，总共有两个状态，按下消抖为状态0，释放消抖为状态1。具体的消抖流程代码中的注释已经写的比较清楚，但如果全部用文字解释出来还是有一定的复杂性。这也是实地讲解和网上文档的一点点差距吧，希望我后期的视频里面能讲清楚。其实抖动消除的核心思路就是对按键状态的变化进行计时，若两次电平变化之间时间小于20ms，则视为抖动，若低电平稳定时间超过20ms，则表明检测到了稳定的按键状态。释放时的消抖过程与按下时的消抖过程类似。

　　以下是代码片段：

　　module normal_keys_detect #(parameter KEY_WIDTH = 4)

　　(Clk,Rst_n,Key_in,Key_Flag,Key_Value);

　　input Clk;

　　input Rst_n;

　　input [KEY_WIDTH-1:0]Key_in;

　　output reg Key_Flag;

　　output reg[KEY_WIDTH-1:0]Key_Value;

　　reg [KEY_WIDTH-1:0]key_tmp,key_tmp1;

　　reg [19:0]cnt1;

　　reg state;

　　wire level_change; /*按键状态变化标志信号*/

　　localparam cnt1_TOP = 1_000_000;

　　/*-------存储按键状态的上一个状态---------------*/

　　always @ (posedge Clk or negedge Rst_n)

　　begin

　　if(!Rst_n)

　　begin

　　key_tmp <= 'd0;

　　key_tmp1 <= 'd0;

　　end

　　else

　　begin

　　key_tmp <= Key_in;

　　key_tmp1 <= key_tmp;

　　end

　　end

　　/*---通过比较按键上一个状态和此时刻状态来获知按键状态是否改变---*/

　　assign level_change = (key_tmp == key_tmp1)?1'b0:1'b1;

　　always @ (posedge Clk or negedge Rst_n)

　　if(!Rst_n)

　　begin

　　cnt1 <= 20'd0;

　　state <= 1'b0;

　　Key_Value <= 4'b0000;

　　Key_Flag <= 1'b0;

　　end

　　else

　　begin

　　case(state)

　　0: /*按下检测*/

　　//没有电平变化，且按键输入状态不全为1

　　if(!level_change & key_tmp1 != {KEY_WIDTH{1'b1}})

　　begin

　　if(cnt1 == cnt1_TOP)/*计数满消抖所需时间*/

　　begin

　　Key_Value <= ~Key_in;

　　Key_Flag <= 1;

　　cnt1 <= 0;

　　state <= 1;

　　end

　　else

　　cnt1 <= cnt1 + 1'b1;

　　end

　　else

　　begin

　　cnt1 <= 0;

　　Key_Flag <= 0;

　　state <= 0;

　　end

　　1:/*释放检测*/

　　begin

　　Key_Flag <= 0;

　　/*没有电平变化，且按键输入状态全为1*/

　　if(!level_change & key_tmp1 == {KEY_WIDTH{1'b1}})

　　begin

　　if(cnt1 == cnt1_TOP)/*计数满消抖所需时间*/

　　begin

　　cnt1 <= 0;

　　state <= 0;

　　end

　　else

　　cnt1 <= cnt1 + 1'b1;

　　end

　　else

　　begin

　　cnt1 <= 0;

　　state <= 1;

　　end

　　end

　　endcase

　　end

　　endmodule

　　七、 测试平台设计

　　本实验主要对按键检测的结果进行观察和分析，通过仿真，验证设计的正确性和合理性。按键消抖模块的testbench的代码如下：

　　以下是代码片段：

　　`timescale 1ns/1ns

　　module normal_keys_detect_tb;

　　reg Clk;

　　reg Rst_n;

　　reg [3:0]Key_in;

　　wire Key_Flag;

　　wire [3:0]Key_Value;

　　normal_keys_detect

　　#(

　　.KEY_WIDTH(4)

　　)

　　normal_keys_detect_inst1(

　　.Clk(Clk),

　　.Rst_n(Rst_n),

　　.Key_in(Key_in),

　　.Key_Flag(Key_Flag),

　　.Key_Value(Key_Value)

　　);

　　initial begin

　　Clk = 1;

　　Rst_n = 0;

　　Key_in = 4'b1111;

　　#100;

　　Rst_n = 1;

　　press_key(0);

　　#30000000;

　　press_key(1);

　　#30000000;

　　press_key(2);

　　#30000000;

　　press_key(3);

　　#30000000;

　　$stop;

　　end

　　always #10 Clk = ~Clk;

　　task press_key;

　　input [1:0]Key;

　　begin

　　Key_in = 4'b1111;

　　/*按下抖动*/

　　#100 Key_in[Key] = 0;

　　#200 Key_in[Key] = 1;

　　#300 Key_in[Key] = 0;

　　#400 Key_in[Key] = 1;

　　#500 Key_in[Key] = 0;

　　#600 Key_in[Key] = 1;

　　#700 Key_in[Key] = 0;

　　#800 Key_in[Key] = 1;

　　#900 Key_in[Key] = 0;

　　/*稳定期*/

　　#22000000;

　　/*释放抖动*/

　　#100 Key_in[Key] = 1;

　　#200 Key_in[Key] = 0;

　　#300 Key_in[Key] = 1;

　　#400 Key_in[Key] = 0;

　　#500 Key_in[Key] = 1;

　　#600 Key_in[Key] = 0;

　　#700 Key_in[Key] = 1;

　　#800 Key_in[Key] = 0;

　　#900 Key_in[Key] = 1;

　　end

　　endtask

　　endmodule

　　testben中使用了一个任务(task)，该任务模拟按键抖动的过程，给按键按下和释放时增加抖动，调用时只需要输入需要按下的按键编号，该任务便可自动完成按下抖动、稳定、松开抖动的过程。

　　整个工程的testbench与消抖模块的testbench一样，只需要在例化部分将消抖模块替换为顶层模块即可，同时将每个按键的任务由一次调用该为两次调用即可，详细代码如下：

　　以下是代码片段：

　　`timescale 1ns/1ns

　　module top_tb;

　　reg Clk;

　　reg Rst_n;

　　reg [3:0]Key_in;

　　wire [3:0]Led;

　　top top_inst(

　　.Clk(Clk),

　　.Rst_n(Rst_n),

　　.Key_in(Key_in),

　　.Led(Led)

　　);

　　initial begin

　　Clk = 1;

　　Rst_n = 0;

　　Key_in = 4'b1111;

　　#100;

　　Rst_n = 1;

　　press_key(0);

　　#30000000;

　　press_key(0);

　　#30000000;

　　press_key(1);

　　#30000000;

　　press_key(1);

　　#30000000;

　　press_key(2);

　　#30000000;

　　press_key(2);

　　#30000000;

　　press_key(3);

　　#30000000;

　　press_key(3);

　　#30000000;

　　$stop;

　　end

　　always #10 Clk = ~Clk;

　　task press_key;

　　input [1:0]Key;

　　begin

　　Key_in = 4'b1111;

　　/*按下抖动*/

　　#100 Key_in[Key] = 0;

　　#200 Key_in[Key] = 1;

　　#300 Key_in[Key] = 0;

　　#400 Key_in[Key] = 1;

　　#500 Key_in[Key] = 0;

　　#600 Key_in[Key] = 1;

　　#700 Key_in[Key] = 0;

　　#800 Key_in[Key] = 1;

　　#900 Key_in[Key] = 0;

　　/*稳定期*/

　　#22000000;

　　/*释放抖动*/

　　#100 Key_in[Key] = 1;

　　#200 Key_in[Key] = 0;

　　#300 Key_in[Key] = 1;

　　#400 Key_in[Key] = 0;

　　#500 Key_in[Key] = 1;

　　#600 Key_in[Key] = 0;

　　#700 Key_in[Key] = 1;

　　#800 Key_in[Key] = 0;

　　#900 Key_in[Key] = 1;

　　end

　　endtask

　　endmodule