07 FPGA按钮去抖实验-526互联

软件版本：VIVADO2021.1

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU系列FPGA

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1 概述

按键的消抖，是指按键在闭合或松开的瞬间伴随着一连串的抖动，这样的抖动将直接影响设计系统的稳定性，降低响应灵敏度。因此，必须对抖动进行处理，即消除抖动的影响。实际工程中，有很多消抖方案，如RS触发器消抖，电容充放电消抖，软件消抖。本章利用FPGA内部来设计消抖，即采取软件消抖。

按键的机械特性，决定着按键的抖动时间，一般抖动时间在5ms~10ms。消抖，也意味着，每次在按键闭合或松开期间，跳过这段抖动时间，再检测按键的状态。只要通过简单的延时就可实现按键的消抖动。

2 硬件电路分析

硬件接口和子卡模块请阅读"附录 1"

配套工程的 FPGA PIN 脚定义路径为 fpga_prj/uisrc/04_pin/ fpga_pin.xdc。

3 系统框图

10ms定时器模块用于触发去抖状态机每间隔10ms判断一次按键状态。

寄存去亚稳态模块是对key进行异步多次寄存，消除亚稳态

去抖状态机每间隔10ms判断一次按键状态，分别判断按键的按下，按键的弹开

之后根据去抖状态机的状态切换判断按键是有效按下和有效弹开。

4 状态机流程图

状态机每间隔10ms完成一次按键检测，首先判断按键是否按下，如果按下再次判断按键是否按下，如果按下，检测按键是否松开，也是判断两次。如果按键按下后第二次判断按键没有按下，那么就代表按键按下的不稳定，继续回到开始状态机。

5 key模块的设计

由于按键滤波是比较比较通用的一个程序，因此我们可以把一个通用的程序设置为一个模块，方便后面重复使用。

`timescale 1ns / 1ns

module key #

(

parameter REF_CLK = 32'd50_000_000 //设置时钟为参数，方便上层调用修改

)

(

input I_sysclk,

input I_rstn,

input I_key,

output O_key_down,

output O_key_up

);

parameter T10MS = (REF_CLK/50 - 1'b1); //设置10MS的时钟分频计数

parameter KEY_S0 = 2'd0; //设置按键状态机的状态

parameter KEY_S1 = 2'd1;

parameter KEY_S2 = 2'd2;

parameter KEY_S3 = 2'd3;

reg [32:0] t10ms_cnt = 25'd0;

reg [3:0] key_r = 4'd0;

//reg [1:0] key_s = 2'b0;

//reg [1:0] key_s_r = 2'b0;

//wire t10ms_done ;

assign t10ms_done = (t10ms_cnt == T10MS);

assign O_key_down = (key_s == KEY_S2)&&( key_s_r == KEY_S1); //设置判断按键按下时的条件

assign O_key_up = (key_s == KEY_S0)&&( key_s_r == KEY_S3); //设置判断按键松开时的条件

(*mark_debug = "true"*) reg [1:0] key_s = 2'b0; //mark_debug 语句可以观察信号波形

(*mark_debug = "true"*) reg [1:0] key_s_r = 2'b0;

(*mark_debug = "true"*) wire t10ms_done ;

//10ms timer counter

always @(posedge I_sysclk or negedge I_rstn)begin //系统时钟的上升沿以及复位的下降沿触发

if(I_rstn == 1'b0)begin

t10ms_cnt <= 25'd0; //系统复位

end

else if(t10ms_cnt < T10MS) //10ms计数，目标值是 T10MS

t10ms_cnt <= t10ms_cnt + 1'b1; //未达到目标t10ms_cnt+1

else

t10ms_cnt <= 25'd0; //达到目标值复位

end

always @(posedge I_sysclk)begin //将key_s的状态缓存一拍

key_s_r <= key_s;

end

always @(posedge I_sysclk)begin //将I_key的状态缓存一拍

key_r <= {key_r[2:0],I_key};

end

always @(posedge I_sysclk or negedge I_rstn)begin //设置状态机，设定按键的4种状态

if(I_rstn == 1'b0)begin

key_s <= KEY_S0;

end

else if(t10ms_done)begin //触发条件为t10ms_done，说明下列所有的状态转移都是每10ms

case(key_s) //触发一次

KEY_S0:begin

if(!key_r[3]) //收到第一个按键的低电平信号，不能判断是否为毛刺

key_s <= KEY_S1; //转到状态S1

end

KEY_S1:begin//recheck key done //第二次判断按键是否按下

if(!key_r[3])

key_s <= KEY_S2; //按下转入S2状态

else

key_s <= KEY_S0; //没按下，判断为毛刺，转入S0状态，等待触发

end

KEY_S2:begin//wait key up //确定按键按下后

if(key_r[3]) //等待按键松开，接收到按键的高电平信号，

key_s <= KEY_S3; //不能确定是否为毛刺

end //转入状态S3

KEY_S3:begin//recheck key up

if(key_r[3]) //第二次判断案件是否松开

key_s <= KEY_S0; //依然检测到按键是松开的状态，转入S0状态，等待触发

end

endcase

end

以上代码中，首先把系统时钟做分频，产生10ms 的分配时钟使能信号。在设计的状态机中，分4个状态

KEY_S0：判断按键是否按下，如果是，转移到状态KEY_S1；

KEY_S1：10ms后再次判断按键是否按下，如果是，转移状态到KEY_S2，否则继续回到KEY_S0；

KEY_S2：判断按键是否抬起，如果是，转移状态到KEY_S3；

KEY_S3：10ms后再次判断按键是否抬起，如果是，转移状态到KEY_S0，否则继续回到KEY_S2；

当状态从KEY_S1 转到KEY_S2代表依次按钮按下key_cap输出一次高电平。

6 调用key模块

以下代码中调用了key模块，并且通过两个按钮来分别控制LED等的向左跟向右偏移。

`timescale 1ns / 1ns

module key_top #

(

parameter REF_CLK = 64'd50_000_000 //设置时间参数，方便上层调用

)

(

input I_sysclk,

input I_rstn,

input I_key1,

input I_key2,

output [3:0]O_led

);

reg [3:0] led_r; //存储LED灯的状态

wire key1_down,key2_down;

assign O_led = led_r; //将存储的LED灯的状态输出

always @(posedge I_sysclk or negedge I_rstn)begin

if(I_rstn == 1'b0)

led_r <= 4'b1110; //设置LED的初始状态

else if(key1_down)

led_r<={led_r[2:0],led_r[3]}; //将LED灯左移动

else if(key2_down)

led_r<={led_r[0],led_r[3:1]}; //将LED灯右移动

end

key#( //例化了两个KEY按键，一个负责左移一个负责右移

.REF_CLK(REF_CLK)

)

key_u1

(

.I_sysclk(I_sysclk),

.I_rstn(I_rstn),

.I_key(I_key1),

.O_key_down(key1_down),

.O_key_up()

);

key#(

.REF_CLK(REF_CLK)

)

key_u2

(

.I_sysclk(I_sysclk),

.I_rstn(I_rstn),

.I_key(I_key2),

.O_key_down(key2_down),

.O_key_up()

);

endmodule

7 综合布线前仿真时序

1、新建仿真文件，仿真文件源码如下所示。

`timescale 1ns / 1ns

module tb_key();

reg I_sysclk,I_rstn,I_key1,I_key2;

wire [3:0]O_led;

key_top#

(

.REF_CLK(100_000)

)

key_top_inst

(

.I_sysclk(I_sysclk),

.I_rstn(I_rstn),

.I_key1(I_key1),

.I_key2(I_key2),

.O_led(O_led)

);

initial

begin

// Initialize Inputs

I_sysclk_p = 0;

I_rstn = 0;

#100;

I_rstn =1;

I_key1 = 1;

I_key2 = 1;

#10000;

forever

begin

I_key1 = 0;

// Wait 100 ns for global reset to finish

#100;

I_key1=1; #1000; //100个时钟周期，频繁的翻转，模拟的是毛刺状态

I_key1=0; #1000;

I_key1=1; #2000;

I_key1=0; #5000;

#20000000; //20000000个时钟周期的KEY变化，确认为真实的按键操作

I_key1=1;

I_key1=0; #1000;

I_key1=1; #2000;

I_key1=0; #1000;

I_key1=1; #2000;

#20000000; //20000000个时钟周期的KEY变化，确认为真实的按键操作

I_key2=1; #1000;

I_key2=0; #1000;

I_key2=1; #2000;

I_key2=0; #5000;

#20000000; //20000000个时钟周期的KEY变化，确认为真实的按键操作

I_key2=1;

I_key2=0; #1000;

I_key2=1; #2000;

I_key2=0; #1000;

I_key2=1; #2000;

I_key2=0; #1000;

#20000000; //20000000个时钟周期的KEY变化，确认为真实的按键操作

I_key2=1; #1000;

end

always #10 I_sysclk_p=~I_sysclk_p;

endmodule

2、进入仿真界面：SIMULATION->单击 Run Simulation->单击Run Behavioral Simulation。

Setp1：设置断点

之后再点击下图箭头所指

读者可以以这种方法去观察自己想看的内部信号

Setp2：取消断点，添加想观察的信号

Setp3：观察仿真波形

可以看到每次key1的按下，key1_down信号都会拉高表示捕捉到key1的按下，并且led灯进行偏移给我们反馈。

Setp4：放大信号观察毛刺

可以看到我们仿真模拟的按键抖动并不会触发我们的led灯的偏移，同时我们的key2_down信号也不会拉高反馈，说明按键抖动被很好的滤除。

8 Chipscope在线逻辑分析仪仿真

很多时候软件仿真后的代码也不一定完全执行正确，这个时候我们可以通过XILINX 自带的在线逻辑分析，在板子上运行并且查看关键信号。

1、将(*mark_debug = "true"*) 添加到需要观察的信号前面。

(*mark_debug = "true"*) reg [1:0] key_s = 2'b0;

(*mark_debug = "true"*) reg [1:0] key_s_r = 2'b0;

(*mark_debug = "true"*) wire t10ms_done ;

2、为了观察到信号，先点击Run Synthesis

点击ok

3、单击Set Up Debug 设置需要观察的信号

以下是我们要观察的信号

以下是这只在线逻辑分析仪的采样深度，使用的是FPGA的 BRAM，以及设置Captrue control，对于这种超慢信号，XILINX 的在线逻辑分析低于20M采样速度的，波形窗口就不会显示波形，这个XILINX也没有特别说明过，但是通过设置Captrue control，可以用我们这里的t10ms_done来作为扑捉控制，而采样时钟依然用系统时钟。