FPGA按钮消抖实验

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
2.1 原理图

开发板底板中配套 2 个独立按键与 FPGA 相连，具体请参见底板原理图。本章使用了开发板按键和 led。各个按键独立，消抖过程相同，因此使用底板上的 SW1 按键模拟实际使用。按键每按一次，对应的 LED 灯反转一次。即检测按键是否有闭合和断开的过程，如果有，第一次则 LED 灯点亮，第二次，则 LED 灯熄灭。

2.2 IO约束

set_property PACKAGE_PIN D9 [get_ports {led_o[0]}]
set_property PACKAGE_PIN J11 [get_ports {led_o[1]}]
set_property PACKAGE_PIN B9 [get_ports {led_o[2]}]
set_property PACKAGE_PIN J10 [get_ports {led_o[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS15 [get_ports {led_o[*]}]
set_property PACKAGE_PIN C8 [get_ports clk_i]
set_property IOSTANDARD LVCMOS15 [get_ports clk_i]
set_property PACKAGE_PIN H13 [get_ports key_i]
set_property IOSTANDARD LVCMOS15 [get_ports key_i]
set_property PACKAGE_PIN V19 [get_ports rst_n_i]
set_property IOSTANDARD LVCMOS15 [get_ports rst_n_i]

2.3 key 模块的设计

由于按键滤波是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。

module key #
(
    parameter CLK_FREQ = 100000000
)
(
input clk_i,
input key_i,
output key_cap
);
//10ms
parameter CNT_10MS = (CLK_FREQ/100 - 1'b1);
parameter KEY_S0 = 2'd0;
parameter KEY_S1 = 2'd1;
parameter KEY_S2 = 2'd2;
parameter KEY_S3 = 2'd3;

reg [24:0] cnt10ms = 25'd0;
(*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 en_10ms ;
 
assign en_10ms = (cnt10ms == CNT_10MS);
assign key_cap = (key_s==KEY_S2)&&(key_s_r==KEY_S1);

always @(posedge clk_i)begin
    if(cnt10ms < CNT_10MS) 
        cnt10ms <= cnt10ms + 1'b1;
    else 
        cnt10ms <= 25'd0;
end

always @(posedge clk_i)begin
    key_s_r <= key_s;
end

always @(posedge clk_i)begin
    if(en_10ms)begin
        case(key_s)
        KEY_S0:begin
           if(!key_i)
               key_s <= KEY_S1; 
        end  
        KEY_S1:begin
           if(!key_i)
               key_s <= KEY_S2; 
            else 
               key_s <= KEY_S0; 
        end 
        KEY_S2:begin
           if(key_i)
               key_s <= KEY_S3; 
        end  
        KEY_S3:begin
           if(key_i)
              key_s <= KEY_S0;
            else   
              key_s <= KEY_S2; 
        end
        endcase                  
    end
end

endmodule

以上代码中，首先把系统时钟做分频，产生 10ms 的分频时钟使能信号。每10ms都会判断一次是否有按键按下。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。

2.4 调用 key 模块

以下代码中调用了 key 模块，并且每次 key_cap 有效，都会翻转一次 LED 的输出。

`timescale 1ns / 1ps
module Key_Jitter(
input clk_i,
input rst_n_i,
input key_i,
output [3:0] led_o

);
reg [3:0] led_o;
wire key_cap;

always @(posedge clk_i)begin
    if(!rst_n_i)begin
        led_o <= 4'b0000;
    end
    else if(key_cap)begin
        led_o <= ~led_o;  
    end
end

key#
(
.CLK_FREQ(100000000)
)
key0
(
.clk_i(clk_i),
.key_i(key_i),
.key_cap(key_cap)
);

ila_0 ila_debug (
	.clk(clk_i),
	.probe0({key_cap,led_o})
);

endmodule

2.5 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。

module Key_Jitter_tb;

	// Inputs
	reg clk_i;
	reg rst_n_i;
	reg key_i;
	wire [2:0] led_o;


	// Instantiate the Unit Under Test (UUT)
	Key_Jitter uut (
		.clk_i(clk_i), 
		.rst_n_i(rst_n_i), 
		.key_i(key_i), 
		.led_o(led_o)
	);

initial
	begin
		// Initialize Inputs
		clk_i = 0;
	end
	always #5 clk_i=~clk_i;

initial
	begin
		// Initialize Inputs
		rst_n_i = 0;
		#100;
		rst_n_i=1;
		key_i = 1;
		#10000;
		forever
			begin
				key_i = 0;
				// Wait 100 ns for global reset to finish
				#100;
				key_i=1; #1000;
				key_i=0; #1000;
				key_i=1; #2000;
				key_i=0; #5000;
				#50000000;
				key_i=1;
				key_i=0; #1000;
                key_i=1; #2000;
                key_i=0; #1000;
                key_i=1; #2000;
				#50000000;
				key_i=0;
				
			end
	end

endmodule

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