案例编号：000700000063
1功能概述
按键开关是各种电子设备不可或缺的人机接口，如电脑的键盘等。实际应用中，按键开关通常为机械式弹性开关。当机械点断开、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接通，断开时也不会马上断开，在闭合和断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。为保证系统及时正确识别，必须对这种情况作出相应处理。我们称之为按键消抖。
按键消抖可分为硬件消抖和软件消抖。硬件消抖的原理是在信号输入系统之前消除抖动干扰，在按键较少的情况下比较适宜。如果按键较多，则使用软件消抖。软件消抖的实质在于降低键盘输入端口的采样频率，将高频抖动略去。需要注意的是，软件消抖需要占据一定的系统资源。
尽管硬件消抖和软件消抖能实现按键消抖功能，串行处理的方式都存在一定的局限性，显得不那么完美。而硬件资源丰富的FPGA系统采用并行处理的模式，利用硬件来减轻软件工作量，通过硬件加速软件消抖处理，即可做到软件消抖并行化，因而在按键消抖处理方面具备非常明显的优势。
优秀的设计程序应该是用最简单的代码（架构、信号）实现功能。在本例中，我们的只需要用4个信号界定，并用很短的代码即可。下面我们先来看看功能要求：
在系统设计中，消除按键抖动的方法五花八门，无论是硬件电路和软件设计都十分成熟。在本项目中，我们将用Verilog语言给出具体实现过程，设计一个程序来检查键值，有效滤除按键抖动区间20 ms的毛刺脉冲。
2 设计思路
一般按键所用开关为机械弹性开关，由于机械触点的弹性作用，每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，如下图。抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5 ms～10 ms。
图xx 按键抖动过程示意
当系统检测出按键闭合后，执行一个延时程序，产生5ms～10ms的延时；前沿抖动消失后，再一次检测键的状态；如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下。当检测到按键释放后，也要给5ms～10ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。本案例我们设置经过20 ms后的高电平才是真正的按键功能。
根据上述思路并使用下面列表中的信号即可进行代码设计。
信号列表
顶层模块信号列表
|
信号名 |
I/O |
位宽 |
说明 |
|
clk |
I |
1 |
系统工作时钟50MHz。 |
|
rst_n |
I |
1 |
系统复位信号，低电平有效。 |
|
key_in |
I |
4 |
按键输入信号，按下高电平。 |
|
key_vld |
O |
4 |
按键有效信号，高电平有效。 |
3 程序设计
顶层模块代码
2 clk ,
3 rst_n ,
4 key_in ,
5 key_vld
6 );
7 parameter DATA_W = 20 ;
8 parameter KEY_W = 4 ;
9 parameter TIME_20MS = 1_000_000 ;
10
11 input clk ;
12 input rst_n ;
13 input [KEY_W-1 :0] key_in ;
14 output [KEY_W-1 :0] key_vld ;
15 reg [KEY_W-1 :0] key_vld ;
16 reg [DATA_W-1:0] cnt ;
17 wire add_cnt ;
18 wire end_cnt ;
19 reg flag ;
20 reg [KEY_W-1 :0] key_in_ff1 ;
21 reg [KEY_W-1 :0] key_in_ff0 ;
22
23 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
24 if(rst_n==1'b0)begin
25 cnt <= 20'b0;
26 end
27 else if(add_cnt)begin
28 if(end_cnt)
29 cnt <= 20'b0;
30 else
31 cnt <= cnt + 1'b1;
32 end
33 else begin
34 cnt <= 0;
35 end
36 end
37
38 assign add_cnt = flag==1'b0 && (key_in_ff1!=0);
39 assign end_cnt = add_cnt && cnt == TIME_20MS - 1;
40
41 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
42 if(rst_n==1'b0)begin
43 flag <= 1'b0;
44 end
45 else if(end_cnt)begin
46 flag <= 1'b1;
47 end
48 else if(key_in_ff1==0)begin
49 flag <= 1'b0;
50 end
51 end
52
53 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
54 if(rst_n==1'b0)begin
55 key_in_ff0 <= 0;
56 key_in_ff1 <= 0;
57 end
58 else begin
59 key_in_ff0 <= key_in ;
60 key_in_ff1 <= key_in_ff0;
61 end
62 end
63
64 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
65 if(rst_n==1'b0)begin
66 key_vld <= 0;
67 end
68 else if(end_cnt)begin
69 key_vld <= key_in_ff1;
70 end
71 else begin
72 key_vld <= 0;
73 end
74 end
75 endmodule
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