Lattice MXO2: 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。

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。

按键抖动的原理

• 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。

在点亮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。

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。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。如何检测按键状态变化就需要用到脉冲边沿检测的方法。

脉冲边沿检测

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datapre,data）,然后将data取反与前一个值相与（state=datapre&（~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。

本实验主要通过按键来控制led的翻转，当按下一次led变亮，再按下一次led变暗。首先我们做个试验，对按键不做处理通过按键来控制led翻转。

// ******************************************************************** // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< // ******************************************************************** // File name : top.v // Module name : top // Author : STEP // Description : control led through the button // // -------------------------------------------------------------------- // Code Revision History : // -------------------------------------------------------------------- // Version: |Mod. Date: |Changes Made: // V1.0 |2017/03/02 |Initial ver // -------------------------------------------------------------------- // Module Function:按键控制led翻转，未做消抖 module top( key, //按键输入 rst, //复位输入 led //led输出 ); input key,rst; output reg led; always @(key or rst) if (!rst) //复位时led熄灭 led = 1; else if(key == 0) led = ~led; //按键按下时led翻转 else led = led; endmodule

未经过消抖的程序下载到小脚丫上会发现按键有时不能够控制led翻转，这是因为按键的抖动造成了led状态变化不可控，所以我们必须将抖动消除。下面是一种延时去抖的程序

// ******************************************************************** // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< // ******************************************************************** // File name : debounce.v // Module name : debounce // Author : STEP // Description : // // -------------------------------------------------------------------- // 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 assign key_pulse = key_sec_pre & (~key_sec); endmodule

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

// ******************************************************************** // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< // ******************************************************************** // File name : top.v // Module name : top // Author : STEP // Description : // // -------------------------------------------------------------------- // 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 top (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

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。

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。