FPGA按键消抖
来源：博客园
2023-07-29 11:31:06
简介按键
按键是输入设备，一般来说，按键在没有按下的时候是高电平；当按键按下的时候，为低电平。
在DE2-70 User Manual中
(资料图片)
Each switch provides a high logic level (3.3 volts) when it is not pressed, and provides a low logic level (0 volts) when depressed. Since the pushbutton switches are debounced, they are appropriate for use as clock or reset inputs in a circuit.
这里介绍到了按键抖动（Button Bouncing）和按键消抖（Button Debouncing）。
按键消抖按键消抖通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、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，为了不产生这种现象而作的措施就是按键消抖。
上图描述的是硬件的按键消抖。可见，消抖后，一次按键，只产生了一次电平变化。
这对我们接下来利用按键意义重大。
物理消抖简单介绍下实现上图的消抖。
电容滤波将电容并联在按键的两端，利用电容的放电的延时特性。将产生抖动的电平通过电容吸收掉。从而达到消抖的作用。
RS触发器利用RS触发器来吸收按键的抖动。一旦有键按下，触发器立即翻转，触电的抖动便不会再对输出产生影响。
程序消抖按键在FPGA中必不可少，我们需要利用按键对一些变量进行累加或累减。比如频率、分数等。
未消抖在一开始的学习中，我们可能只用到了开关（switch），编写开关控制的程序类似于将开关当作一个布尔（Boolean）变量。
但是按键与开关不同，以下面这段代码为例，期望作用是 按键按下后，LED灯状态改变。
module Test( input sys_clk, input rst_n, input key, output reg led); always@(posedge sys_clk or negedge rst_n) begin if(rst_n == 1"b0) led <= 1"b0; else if(key == 1"b0) led <= ~led; else led <= led; endendmodule然而，上板测试发现，LED状态灯一直处于不亮的状态。
假设，我们的时钟频率是50MHz，那么它的周期就是20ns。
那么，在你按按钮的全过程中，按下的状态持续了多长时间呢？
显然，远大于20ns，所以LED会多次取反。所以这种简单粗暴的方法是不适合按键的。
消抖我们刚刚的问题是，短时间内重复检测，从而多次执行了按键后的行为。
可以想到，给这个按键定个时：当有按键按下，计数器不断自增，若因为抖动，则计数器会清空，重新计数，当不抖动的时候，就会计满，此时才会判定为按键按下。
代码
// 定时器消除抖动module key_filter( inputwire sys_clk, // 50M时钟 input wire sys_rst_n, // 复位信号，低电平有效 input wire key, // 按键输入 output reg key_flag, // 按键信号有效信号output reg key_value // 消抖后的按键信号 ); reg [31:0] delay_cnt;// 32位定时器reg key_reg; always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin if (!sys_rst_n) begin key_reg <= 1"b1; delay_cnt <= 32"d0; end else begin key_reg <= key; if(key_reg != key) // 检测到按键状态发生变化(按下 或 释放) delay_cnt <= 32"d1000000; // 计数器装载初始值（计数时间为20ms） else if(key_reg == key) begin // 按键状态稳定时，计数器递减，开始20ms倒计时 if(delay_cnt > 32"d0) // 不稳定时，重新计时 delay_cnt <= delay_cnt - 1"b1; else delay_cnt <= delay_cnt; end end endalways @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin if (!sys_rst_n) begin // 复位 key_flag <= 1"b0; // 无效 key_value <= 1"b1; // 高电平为未按下 end else begin if(delay_cnt == 32"d1) begin // 按键稳定状态维持了20ms key_flag <= 1"b1; // 此时消抖过程结束，信号有效 key_value <= key; // 保存此时按键信号 end else begin key_flag <= 1"b0; key_value <= key_value; end end end endmodule 如此，我们再重新写下刚刚的未消抖程序。
module Test( input sys_clk, // 系统时钟 input rst_n, // 复位信号，低电平有效 input key, // 按键信号 output reg led // LED灯 ); wire key_value;wire key_flag;// 例化key_filterkey_filter_inst( .sys_clk(sys_clk), // 50M时钟 .sys_rst_n(sys_rst_n), // 复位信号，低电平有效 .key (key), // 按键输入) .key_flag(key_flag), // 按键信号有效信号 .key_value (key_value) // 按键消抖后的数据 );always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin if(!sys_rst_n)beginled <= 1"b0;end else if(key_flag && (~key_value)) // 按键是否有效按下begin led <= ~led;end else begin led <= led; endendendmodule 成功，按键可以控制LED灯亮与熄灭。仿真略。
这是简单的计时消抖，读者有兴趣可阅读学习状态机的方法。
参考文献[1] 按键的硬件消抖电路原理详解
[2] FPGA要按键实现四个数码管加减计数怎么搞？
[3] FPGA学习—按键控制
[4] DE2-70 User Manual
