Lattice MXO2: 按鍵消抖

在之前的實(shí)驗(yàn)中我們學(xué)習(xí)了如何用按鍵作為FPGA的輸入控制，在本實(shí)驗(yàn)中將學(xué)習(xí)如何進(jìn)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(kāi)關(guān)，電子設(shè)計(jì)中不可缺少的輸入設(shè)備。當(dāng)按下時(shí)使開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，松開(kāi)時(shí)則開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是靠金屬?gòu)椘瑏?lái)實(shí)現(xiàn)通斷。

按鍵抖動(dòng)的原理

• 抖動(dòng)的產(chǎn)生 ：通常的按鍵所用的開(kāi)關(guān)為機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開(kāi)、閉合時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開(kāi)時(shí)也不會(huì)一下子斷開(kāi)。因而在閉合及斷開(kāi)的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)，為了不產(chǎn)生這種現(xiàn)象而作的措施就是按鍵消抖。
• 消除抖動(dòng)的措施：一般我們采用軟件方法消抖。即檢測(cè)到按鍵按下動(dòng)作之后進(jìn)行10ms~20ms左右的延時(shí)，當(dāng)前沿的抖動(dòng)消失之后再一次檢測(cè)按鍵的狀態(tài)。如果仍然是按下的電平狀態(tài)，則認(rèn)為這是一次真正的按鍵按下；同樣檢測(cè)到按鍵釋放，也要做10ms~20ms延時(shí)，檢測(cè)到后沿抖動(dòng)消失后認(rèn)為是一個(gè)完整的按鍵彈起過(guò)程。
• 消抖的好處：執(zhí)行按鍵消抖有兩個(gè)好處，
• 消除誤觸發(fā)：我們想通過(guò)按鍵來(lái)翻轉(zhuǎn)信號(hào)（例如按下一次led亮，在按一次led滅），如果沒(méi)有進(jìn)行消抖，則會(huì)產(chǎn)生很多誤觸發(fā)造成不必要的翻轉(zhuǎn)。
• 記錄按鍵次數(shù)：執(zhí)行按鍵消抖可以讓我們記錄按鍵動(dòng)作的次數(shù)，在很多應(yīng)用里這非常有用。

在點(diǎn)亮LED實(shí)驗(yàn)中我們知道了小腳丫板子上按鍵的設(shè)計(jì)，當(dāng)按鍵未被按下時(shí)，連接到FPGA管腳認(rèn)為是高電平；當(dāng)按鍵被按下時(shí)，連接到FPGA管腳認(rèn)為是低電平。

要消除按鍵的抖動(dòng)，我們需要去掃描按鍵，也就是不斷的去采集按鍵的狀態(tài)。軟件消抖時(shí)我們一般只考慮按鍵按下時(shí)的抖動(dòng)，而放棄對(duì)釋放時(shí)抖動(dòng)的消除。用系統(tǒng)時(shí)鐘（頻率較高）去采集按鍵狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到按下時(shí)用計(jì)數(shù)器延時(shí)20ms，再去檢測(cè)按鍵狀態(tài)，如果這時(shí)仍為按下?tīng)顟B(tài)，確認(rèn)是一次按下動(dòng)作，否側(cè)的話認(rèn)為無(wú)按鍵按下。如何檢測(cè)按鍵狀態(tài)變化就需要用到脈沖邊沿檢測(cè)的方法。

脈沖邊沿檢測(cè)

檢測(cè)按鍵按下時(shí)要用到脈沖邊沿檢測(cè)的方法，捕捉信號(hào)的突變、捕捉時(shí)鐘的上升下降沿等經(jīng)常會(huì)用到這種方法。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是用一個(gè)頻率更高的時(shí)鐘去觸發(fā)要檢測(cè)的信號(hào)，用兩個(gè)寄存器去儲(chǔ)存相鄰兩個(gè)時(shí)鐘采集到的值，然后進(jìn)行異或運(yùn)算，如果不為零，代表發(fā)生了上升沿或者下降沿。

在按鍵消抖的過(guò)程中，同樣運(yùn)用了脈沖邊沿檢測(cè)。用兩個(gè)寄存器儲(chǔ)存相鄰時(shí)鐘采集的值（例如datapre,data）,然后將data取反與前一個(gè)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(wú)變化。
將一個(gè)信號(hào)由連續(xù)時(shí)鐘采集，相鄰兩個(gè)鐘觸發(fā)的值存入兩個(gè)寄存器。理解verilog實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程要充分了解其中的非阻塞賦值。

本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)按鍵來(lái)控制led的翻轉(zhuǎn)，當(dāng)按下一次led變亮，再按下一次led變暗。首先我們做個(gè)試驗(yàn)，對(duì)按鍵不做處理通過(guò)按鍵來(lái)控制led翻轉(zhuǎn)。

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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(zhuǎn)，未做消抖 
module top(
		key,          //按鍵輸入
		rst,          //復(fù)位輸入
		led           //led輸出
		); 	input key,rst;
	output reg led; 	always @(key or rst)
		if (!rst)             //復(fù)位時(shí)led熄滅
			led = 1;
		else if(key == 0)     
			led = ~led;   //按鍵按下時(shí)led翻轉(zhuǎn)
		else
			led = led;
			endmodule

未經(jīng)過(guò)消抖的程序下載到小腳丫上會(huì)發(fā)現(xiàn)按鍵有時(shí)不能夠控制led翻轉(zhuǎn)，這是因?yàn)榘存I的抖動(dòng)造成了led狀態(tài)變化不可控，所以我們必須將抖動(dòng)消除。下面是一種延時(shí)去抖的程序

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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(shù)量 	
input             clk;
        input             rst;
        input 	[N-1:0]   key;                        //輸入的按鍵					
	output  [N-1:0]   key_pulse;                  //按鍵動(dòng)作產(chǎn)生的脈沖	         
	reg     [N-1:0]   key_rst_pre;                //定義一個(gè)寄存器型變量存儲(chǔ)上一個(gè)觸發(fā)時(shí)的按鍵值
        reg     [N-1:0]   key_rst;                    //定義一個(gè)寄存器變量?jī)?chǔ)存儲(chǔ)當(dāng)前時(shí)刻觸發(fā)的按鍵值         
        wire    [N-1:0]   key_edge;                   //檢測(cè)到按鍵由高到低變化是產(chǎn)生一個(gè)高脈沖         
        //利用非阻塞賦值特點(diǎn)，將兩個(gè)時(shí)鐘觸發(fā)時(shí)按鍵狀態(tài)存儲(chǔ)在兩個(gè)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(shí)給key_rst賦值全為1，{}中表示N個(gè)1
                 key_rst_pre <= {N{1'b1}};
             end
             else begin
                 key_rst <= key;                     
                 //第一個(gè)時(shí)鐘上升沿觸發(fā)之后key的值賦給key_rst,同時(shí)key_rst的值賦給key_rst_pre
                 key_rst_pre <= key_rst;             
                 //非阻塞賦值。相當(dāng)于經(jīng)過(guò)兩個(gè)時(shí)鐘觸發(fā)，key_rst存儲(chǔ)的是當(dāng)前時(shí)刻key的值，key_rst_pre存儲(chǔ)的是前一個(gè)時(shí)鐘的key的值
             end    
           end         
           assign  key_edge = key_rst_pre & (~key_rst);//脈沖邊沿檢測(cè)。當(dāng)key檢測(cè)到下降沿時(shí)，key_edge產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平         reg	[17:0]	  cnt;                       
           //產(chǎn)生延時(shí)所用的計(jì)數(shù)器，系統(tǒng)時(shí)鐘12MHz，要延時(shí)20ms左右時(shí)間，至少需要18位計(jì)數(shù)器              
           //產(chǎn)生20ms延時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到key_edge有效是計(jì)數(shù)器清零開(kāi)始計(jì)數(shù)
        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(shí)后檢測(cè)電平寄存器變量
        reg     [N-1:0]   key_sec;                     
         //延時(shí)后檢測(cè)key，如果按鍵狀態(tài)變低產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘的高脈沖。如果按鍵狀態(tài)是高的話說(shuō)明按鍵無(wú)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(gè)N位按鍵的消抖程序，如果有按鍵按下會(huì)輸出一個(gè)時(shí)鐘周期的高脈沖。下面我們可以試試用這個(gè)按鍵消抖的輸出來(lái)觸發(fā)LED的顯示，既按鍵一次LED翻轉(zhuǎn)。你也可以不加按鍵消抖試試用按鍵來(lái)控制LED（按一次變亮，再按一次滅掉）。

下面的程序是例化調(diào)用debounce模塊來(lái)控制LED

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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(jìn)過(guò)按鍵消抖后控制led顯示翻轉(zhuǎn) 
module top (clk,rst,key,led);         
input             clk;
        input             rst;
        input 	          key;                      				
	output   reg      led;                 
	wire              key_pulse;         //當(dāng)按鍵按下時(shí)產(chǎn)生一個(gè)高脈沖，翻轉(zhuǎn)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(méi)有傳遞參數(shù)N，采用了默認(rèn)的N=1     
         debounce  u1 (                               
                       .clk (clk),
                       .rst (rst),
                       .key (key),
                       .key_pulse (key_pulse)
                       );
 endmodule

設(shè)置好復(fù)位鍵可消抖的按鍵，編譯完成后下載，通過(guò)按鍵就可以翻轉(zhuǎn)LED。你也可以定義多個(gè)按鍵控制多個(gè)LED，還可以比較不加按鍵消抖情況下實(shí)際的效果對(duì)比如何。

在本實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)了如何進(jìn)行按鍵的消抖。在很多應(yīng)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(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)控制中我們將學(xué)習(xí)計(jì)時(shí)的顯示和控制，在這里我們要用到按鍵的消抖以及數(shù)碼管，我們甚至可以用小腳丫做一個(gè)計(jì)時(shí)器甚至電子表。