Lattice MXO2: 按鍵消抖

在之前的實驗中我們學習了如何用按鍵作為FPGA的輸入控制，在本實驗中將學習如何進行按鍵消抖，用按鍵完成更多的功能。

按鍵是一種常用的電子開關，電子設計中不可缺少的輸入設備。當按下時使開關導通，松開時則開關斷開，內部結構是靠金屬彈片來實現通斷。

按鍵抖動的原理

• 抖動的產生 ：通常的按鍵所用的開關為機械彈性開關，當機械觸點斷開、閉合時，由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上穩定地接通，在斷開時也不會一下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，為了不產生這種現象而作的措施就是按鍵消抖。
• 消除抖動的措施：一般我們采用軟件方法消抖。即檢測到按鍵按下動作之后進行10ms~20ms左右的延時，當前沿的抖動消失之后再一次檢測按鍵的狀態。如果仍然是按下的電平狀態，則認為這是一次真正的按鍵按下；同樣檢測到按鍵釋放，也要做10ms~20ms延時，檢測到后沿抖動消失后認為是一個完整的按鍵彈起過程。
• 消抖的好處：執行按鍵消抖有兩個好處，
• 消除誤觸發：我們想通過按鍵來翻轉信號（例如按下一次led亮，在按一次led滅），如果沒有進行消抖，則會產生很多誤觸發造成不必要的翻轉。
• 記錄按鍵次數：執行按鍵消抖可以讓我們記錄按鍵動作的次數，在很多應用里這非常有用。

在點亮LED實驗中我們知道了小腳丫板子上按鍵的設計，當按鍵未被按下時，連接到FPGA管腳認為是高電平；當按鍵被按下時，連接到FPGA管腳認為是低電平。

要消除按鍵的抖動，我們需要去掃描按鍵，也就是不斷的去采集按鍵的狀態。軟件消抖時我們一般只考慮按鍵按下時的抖動，而放棄對釋放時抖動的消除。用系統時鐘（頻率較高）去采集按鍵狀態，當檢測到按下時用計數器延時20ms，再去檢測按鍵狀態，如果這時仍為按下狀態，確認是一次按下動作，否側的話認為無按鍵按下。如何檢測按鍵狀態變化就需要用到脈沖邊沿檢測的方法。

脈沖邊沿檢測

檢測按鍵按下時要用到脈沖邊沿檢測的方法，捕捉信號的突變、捕捉時鐘的上升下降沿等經常會用到這種方法。簡單地說就是用一個頻率更高的時鐘去觸發要檢測的信號，用兩個寄存器去儲存相鄰兩個時鐘采集到的值，然后進行異或運算，如果不為零，代表發生了上升沿或者下降沿。

在按鍵消抖的過程中，同樣運用了脈沖邊沿檢測。用兩個寄存器儲存相鄰時鐘采集的值（例如datapre,data）,然后將data取反與前一個值相與（state=datapre&（~data））,如果為1，則判斷有下降沿既按鍵按下由高到低；否則無變化。
將一個信號由連續時鐘采集，相鄰兩個鐘觸發的值存入兩個寄存器。理解verilog實現這個過程要充分了解其中的非阻塞賦值。

本實驗主要通過按鍵來控制led的翻轉，當按下一次led變亮，再按下一次led變暗。首先我們做個試驗，對按鍵不做處理通過按鍵來控制led翻轉。

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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
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// File name    : top.v
// Module name  : top
// Author       : STEP
// Description  : control led through the button
// 
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// Code Revision History : 
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// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.0     |2017/03/02   |Initial ver
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// Module Function:按鍵控制led翻轉，未做消抖 
module top(
		key,          //按鍵輸入
		rst,          //復位輸入
		led           //led輸出
		); 	input key,rst;
	output reg led; 	always @(key or rst)
		if (!rst)             //復位時led熄滅
			led = 1;
		else if(key == 0)     
			led = ~led;   //按鍵按下時led翻轉
		else
			led = led;
			endmodule

未經過消抖的程序下載到小腳丫上會發現按鍵有時不能夠控制led翻轉，這是因為按鍵的抖動造成了led狀態變化不可控，所以我們必須將抖動消除。下面是一種延時去抖的程序

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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
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// File name    : debounce.v
// Module name  : debounce
// Author       : STEP
// Description  : 
// 
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// Code Revision History : 
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// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.0     |2017/03/02   |Initial ver
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// Module Function:按鍵消抖 
module debounce (clk,rst,key,key_pulse);         
parameter       N  =  1;                      //要消除的按鍵的數量 	
input             clk;
        input             rst;
        input 	[N-1:0]   key;                        //輸入的按鍵					
	output  [N-1:0]   key_pulse;                  //按鍵動作產生的脈沖	         
	reg     [N-1:0]   key_rst_pre;                //定義一個寄存器型變量存儲上一個觸發時的按鍵值
        reg     [N-1:0]   key_rst;                    //定義一個寄存器變量儲存儲當前時刻觸發的按鍵值         
        wire    [N-1:0]   key_edge;                   //檢測到按鍵由高到低變化是產生一個高脈沖         
        //利用非阻塞賦值特點，將兩個時鐘觸發時按鍵狀態存儲在兩個寄存器變量中
        always @(posedge clk  or  negedge rst)
          begin
             if (!rst) begin
                 key_rst <= {N{1'b1}};                //初始化時給key_rst賦值全為1，{}中表示N個1
                 key_rst_pre <= {N{1'b1}};
             end
             else begin
                 key_rst <= key;                     
                 //第一個時鐘上升沿觸發之后key的值賦給key_rst,同時key_rst的值賦給key_rst_pre
                 key_rst_pre <= key_rst;             
                 //非阻塞賦值。相當于經過兩個時鐘觸發，key_rst存儲的是當前時刻key的值，key_rst_pre存儲的是前一個時鐘的key的值
             end    
           end         
           assign  key_edge = key_rst_pre & (~key_rst);//脈沖邊沿檢測。當key檢測到下降沿時，key_edge產生一個時鐘周期的高電平         reg	[17:0]	  cnt;                       
           //產生延時所用的計數器，系統時鐘12MHz，要延時20ms左右時間，至少需要18位計數器              
           //產生20ms延時，當檢測到key_edge有效是計數器清零開始計數
        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;                //延時后檢測電平寄存器變量
        reg     [N-1:0]   key_sec;                     
         //延時后檢測key，如果按鍵狀態變低產生一個時鐘的高脈沖。如果按鍵狀態是高的話說明按鍵無效
        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

以上就是一個N位按鍵的消抖程序，如果有按鍵按下會輸出一個時鐘周期的高脈沖。下面我們可以試試用這個按鍵消抖的輸出來觸發LED的顯示，既按鍵一次LED翻轉。你也可以不加按鍵消抖試試用按鍵來控制LED（按一次變亮，再按一次滅掉）。

下面的程序是例化調用debounce模塊來控制LED

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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
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// File name    : top.v
// Module name  : top
// Author       : STEP
// Description  :  
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// Code Revision History : 
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// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.0     |2017/03/02   |Initial ver
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// Module Function:進過按鍵消抖后控制led顯示翻轉 
module top (clk,rst,key,led);         
input             clk;
        input             rst;
        input 	          key;                      				
	output   reg      led;                 
	wire              key_pulse;         //當按鍵按下時產生一個高脈沖，翻轉一次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，這里沒有傳遞參數N，采用了默認的N=1     
         debounce  u1 (                               
                       .clk (clk),
                       .rst (rst),
                       .key (key),
                       .key_pulse (key_pulse)
                       );
 endmodule

設置好復位鍵可消抖的按鍵，編譯完成后下載，通過按鍵就可以翻轉LED。你也可以定義多個按鍵控制多個LED，還可以比較不加按鍵消抖情況下實際的效果對比如何。

在本實驗學習了如何進行按鍵的消抖。在很多應用情況下我們必須采取消抖才能更好地控制邏輯。在下一個實驗計時控制中我們將學習計時的顯示和控制，在這里我們要用到按鍵的消抖以及數碼管，我們甚至可以用小腳丫做一個計時器甚至電子表。