小梅哥和你一起深入學習FPGA之獨立按鍵檢測（上）

　　幾乎沒有哪一個系統沒有輸入輸出設備，大到顯示器，小到led燈，輕觸按鍵。作為一個系統，要想穩定的工作，輸入輸出設備的性能占了很重要的角色。本實驗，小梅哥就通過一個獨立按鍵的檢測實驗，來正式步入基本外設驅動開發的大門。

　　一、 實驗目的

　　實現4個獨立按鍵的抖動檢測實驗，并通過4個獨立按鍵控制4個led燈亮滅狀態的翻轉。

　　二、 實驗原理

　　實際系統中常用的按鍵大部分都是輕觸式按鍵，如圖2-1所示。該按鍵內部由一個彈簧片和兩個固定觸點組成，當彈簧片被按下，則兩個固定觸點接通，按鍵閉合。彈簧片松開，兩個觸點斷開，按鍵也就斷開了。根據這種按鍵的機械特性，在按鍵按下時，會先有一段時間的不穩定期，在這期間，兩個觸點時而接通，時而斷開，我們稱之為抖動，當按鍵大約按下20ms后，兩個觸點才能處于穩定的閉合狀態，按鍵松開時和閉合時情況類似。而我們的FPGA工作在很高的頻率，按鍵接通或斷開時任何一點小的抖動都能輕易的捕捉到，如果不加區分的將每一次閉合或斷開都當做一次按鍵事件，那么勢必一次按鍵動作會被FPGA識別為很多次按鍵操作，從而導致系統工作穩定性下降。

　　圖2-1 輕觸按鍵實物圖

　　一次按鍵動作的大致波形如下圖所示：

　　因此，我們所需要做的工作，就是濾除按鍵按下和釋放時各存在的20ms的不穩定波形

　　三、 硬件設計

　　獨立按鍵屬于一種輸入設備，其與FPGA連接的IO口被接上了10K的上拉電阻，在按鍵沒有按下時，FPGA會檢測到高電平;當按鍵按下后，FPGA的IO口上則將呈現低電平。因此，按鍵檢測的實質就是讀取FPGA的IO上的電平。

　　圖3-1 獨立按鍵典型電路

　　四、 架構設計

　　本實驗由總共四個模塊組成，分別為LED驅動模塊、獨立按鍵檢測模塊、控制模塊和頂層模塊，其架構如下：

　　以下為按鍵抖動檢測的代碼，采用狀態機的方式編寫，總共有兩個狀態，按下消抖為狀態0，釋放消抖為狀態1。具體的消抖流程代碼中的注釋已經寫的比較清楚，但如果全部用文字解釋出來還是有一定的復雜性。這也是實地講解和網上文檔的一點點差距吧，希望我后期的視頻里面能講清楚。其實抖動消除的核心思路就是對按鍵狀態的變化進行計時，若兩次電平變化之間時間小于20ms，則視為抖動，若低電平穩定時間超過20ms，則表明檢測到了穩定的按鍵狀態。釋放時的消抖過程與按下時的消抖過程類似。

　　以下是代碼片段：

　　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; /*按鍵狀態變化標志信號*/

　　localparam cnt1_TOP = 1_000_000;

　　/*-------存儲按鍵狀態的上一個狀態---------------*/

　　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

　　/*---通過比較按鍵上一個狀態和此時刻狀態來獲知按鍵狀態是否改變---*/

　　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: /*按下檢測*/

　　//沒有電平變化，且按鍵輸入狀態不全為1

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

　　begin

　　if(cnt1 == cnt1_TOP)/*計數滿消抖所需時間*/

　　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:/*釋放檢測*/

　　begin

　　Key_Flag <= 0;

　　/*沒有電平變化，且按鍵輸入狀態全為1*/

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

　　begin

　　if(cnt1 == cnt1_TOP)/*計數滿消抖所需時間*/

　　begin

　　cnt1 <= 0;

　　state <= 0;

　　end

　　else

　　cnt1 <= cnt1 + 1'b1;

　　end

　　else

　　begin

　　cnt1 <= 0;

　　state <= 1;

　　end

　　end

　　endcase

　　end

　　endmodule

　　七、 測試平臺設計

　　本實驗主要對按鍵檢測的結果進行觀察和分析，通過仿真，驗證設計的正確性和合理性。按鍵消抖模塊的testbench的代碼如下：

　　以下是代碼片段：

　　`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;

　　/*按下抖動*/

　　#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;

　　/*穩定期*/

　　#22000000;

　　/*釋放抖動*/

　　#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中使用了一個任務(task)，該任務模擬按鍵抖動的過程，給按鍵按下和釋放時增加抖動，調用時只需要輸入需要按下的按鍵編號，該任務便可自動完成按下抖動、穩定、松開抖動的過程。

　　整個工程的testbench與消抖模塊的testbench一樣，只需要在例化部分將消抖模塊替換為頂層模塊即可，同時將每個按鍵的任務由一次調用該為兩次調用即可，詳細代碼如下：

　　以下是代碼片段：

　　`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;

　　/*按下抖動*/

　　#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;

　　/*穩定期*/

　　#22000000;

　　/*釋放抖動*/

　　#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