【FPGA入门】第五篇、按键消抖

原创 2023-06-20 12:03:03 5.7k 阅读 AI写同款

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大屁桃

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FPGA学习——按键消抖的多种实现方法 FPGA实现按键消抖包括状态机实现按键消抖阅读详情

AI摘要

文章详细阐述了FPGA中处理按键抖动的两种方法。第一种是简单的按键检测，通过寄存器延迟实现，但可能造成LED跳动异常。第二种是实际按键消抖策略，通过计数器确保5ms的稳定时间，产生单脉冲标志，有效解决了抖动问题。代码示例展示了具体实现过程。

第一部分、按键抖动现象

只要学习过单片机的都会知道，按键在按下去和松开的那个瞬间都存在抖动，在单片机消除抖动最简单的方式就是延时。

在FPGA的开发过程中，按键也不是理想状态。所以在按下按键和松开按键的瞬间都是存在机械抖动的。

这种抖动可分为前抖动（按下瞬间带来的抖动），后抖动（松开瞬间带来的抖动），如下图所示。

无论是前抖动还是后抖动，持续时间大约是5~10ms。

第二部分、消抖思路及代码

1、简单的按键消抖思路

如下图为最简单的按键检测思路。这种思路，在不考虑按键存在抖动的情况下，用寄存器打拍的方式（pipeline），将key延时一个时钟周期，变为key_old。

接着再通过检测key与key_old之间的信号差，来判断按键是否按下。

实现代码如下：

// -----------------------------------------------------------------------------
// Copyright (c) 2014-2023 All rights reserved
// -----------------------------------------------------------------------------
// Author : BigFartPeach
// 优快云   : 大屁桃
// E-mail : 2624507313@qq.com
// File   : key_shift_led.v
// Create : 2023-04-14 13:58:37
// -----------------------------------------------------------------------------
module key_shift_led(
    input wire clk,
    input wire rst_n,
    input wire key1,
    output wire [3:0]led
    );
//寄存器打拍，延迟key一个时钟周期
reg key_old;
//led流水状态寄存器
reg [3:0]led_shift = 4'b0001;

//获取key_old信号
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0) begin
        key_old <= 1'b1;
    end
    else begin
        key_old <= key1;
    end
end
//理想按键按下检测方式
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0) begin
        led_shift <= 4'b0001;
    end
    else if (key1 == 1'b0 && key_old == 1'b1) begin
        led_shift <= {led_shift[2:0],led_shift[3]};
    end
end
//led状态赋值
assign led = led_shift;

endmodule

这种简单的消抖方式存在以下问题：

有的时候，按下按键，会看到LED灯一次性跳过两个，或者三个，没有实现按一下，跳一下的功能。

2、实际按键消抖思路

在消除抖动之后，如果检测到按键按下（低电平持续了5ms），那么就输出一个周期的单脉冲标志，来表示按键按下。

这么做的原因：人在正常按下按键，松开按键，按键稳定的时间一般是大于五毫秒的。

cnt_5ms：这个计数器在clk下计数，清零方式为key == 1，cnt_5ms == 5ms计数值

stable_flag：保证press_flag有且仅有一个时钟周期的高电平。cnt_5ms这个计数器在，key == 0，cnt_5ms == 5ms计数值的时候翻转，清零为key == 1

如果不这样搞得话，那么stable_flag在稳定时间里面就会有多个高脉冲。

press_flag：在cnt_5ms == 5ms计数值，stable_flag == 0的时候翻转。这样才是一个周期的单脉冲。

实际按键检测的时序图如下图所示：

3、实际按键消抖模块代码

// -----------------------------------------------------------------------------
// Copyright (c) 2014-2023 All rights reserved
// -----------------------------------------------------------------------------
// Author : BigFartPeach
// 优快云   : 大屁桃
// E-mail : 2624507313@qq.com
// File   : key_shift_led_elim.v
// Create : 2023-04-14 12:38:11
// -----------------------------------------------------------------------------
module key_shift_led_elim(
    input wire clk,
    input wire rst_n,
    input wire key1,
    output wire [3:0]led
    );
//变量
reg [17:0]cnt_5ms;//0~249,999表示5ms时间到了
reg stable_flag;
reg press_flag;
//保存led流水状态的寄存器
reg [3:0]shift_led = 4'b0001;

//cnt_5ms毫秒计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0) begin
        cnt_5ms <= 1'b0;
    end
    else if(cnt_5ms == 'd249_999)begin
        cnt_5ms <= 1'b0;
    end
    else if (key1 == 1'b0) begin
        cnt_5ms <= cnt_5ms + 1'b1;
    end
    else begin
        cnt_5ms <= 1'b0;
    end
end
//stable_flag在key == 0稳定到5ms后,一直拉高
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0) begin
        stable_flag <= 1'b0;
    end
    else if (key1 == 1'b0 && cnt_5ms == 'd249_999) begin
        stable_flag <= 1'b1;
    end
    else if(key1 == 1'b1)begin
        stable_flag <= 1'b0;
    end
end
//press_flag按下的一个周期的脉冲
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0) begin
        press_flag <= 1'b0;
    end
    else if (stable_flag == 1'b0 && cnt_5ms == 'd249_999) begin
        press_flag <= 1'b1;
    end
    else begin
        press_flag <= 1'b0;
    end
end
//按下按键shift_led移位
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0) begin
        shift_led <= 4'b0001;        
    end
    else if (press_flag == 1'b1) begin
        shift_led <= {shift_led[2:0],shift_led[3]};//位置调换
    end
end
//led状态流水
assign led = shift_led;

endmodule