Lattice MXO2: 按鍵消抖
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按鍵消抖
在之前的實驗中我們學(xué)習(xí)了如何用按鍵作為FPGA的輸入控制，在本實驗中將學(xué)習(xí)如何進(jìn)行按鍵消抖，用按鍵完成更多的功能。
本文引用地址：http://www.czjhyjcfj.com/article/202311/452611.htm硬件說明
按鍵是一種常用的電子開關(guān)，電子設(shè)計中不可缺少的輸入設(shè)備。當(dāng)按下時使開關(guān)導(dǎo)通，松開時則開關(guān)斷開，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是靠金屬彈片來實現(xiàn)通斷。
按鍵抖動的原理
在點亮LED實驗中我們知道了小腳丫板子上按鍵的設(shè)計，當(dāng)按鍵未被按下時，連接到FPGA管腳認(rèn)為是高電平；當(dāng)按鍵被按下時，連接到FPGA管腳認(rèn)為是低電平。
要消除按鍵的抖動，我們需要去掃描按鍵，也就是不斷的去采集按鍵的狀態(tài)。軟件消抖時我們一般只考慮按鍵按下時的抖動，而放棄對釋放時抖動的消除。用系統(tǒng)時鐘（頻率較高）去采集按鍵狀態(tài)，當(dāng)檢測到按下時用計數(shù)器延時20ms，再去檢測按鍵狀態(tài)，如果這時仍為按下狀態(tài)，確認(rèn)是一次按下動作，否側(cè)的話認(rèn)為無按鍵按下。如何檢測按鍵狀態(tài)變化就需要用到脈沖邊沿檢測的方法。
脈沖邊沿檢測
檢測按鍵按下時要用到脈沖邊沿檢測的方法，捕捉信號的突變、捕捉時鐘的上升下降沿等經(jīng)常會用到這種方法。簡單地說就是用一個頻率更高的時鐘去觸發(fā)要檢測的信號，用兩個寄存器去儲存相鄰兩個時鐘采集到的值，然后進(jìn)行異或運(yùn)算，如果不為零，代表發(fā)生了上升沿或者下降沿。
在按鍵消抖的過程中，同樣運(yùn)用了脈沖邊沿檢測。用兩個寄存器儲存相鄰時鐘采集的值（例如datapre,data）,然后將data取反與前一個值相與（state=datapre&（~data））,如果為1，則判斷有下降沿既按鍵按下由高到低；否則無變化。
將一個信號由連續(xù)時鐘采集，相鄰兩個鐘觸發(fā)的值存入兩個寄存器。理解verilog實現(xiàn)這個過程要充分了解其中的非阻塞賦值。
Verilog代碼
本實驗主要通過按鍵來控制led的翻轉(zhuǎn)，當(dāng)按下一次led變亮，再按下一次led變暗。首先我們做個試驗，對按鍵不做處理通過按鍵來控制led翻轉(zhuǎn)。
// ******************************************************************** // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< // ******************************************************************** // File name : top.v // Module name : top // Author : STEP // Description : control led through the button // // -------------------------------------------------------------------- // Code Revision History : // -------------------------------------------------------------------- // Version: |Mod. Date: |Changes Made: // V1.0 |2017/03/02 |Initial ver // -------------------------------------------------------------------- // Module Function:按鍵控制led翻轉(zhuǎn)，未做消抖 module top( key, //按鍵輸入 rst, //復(fù)位輸入 led //led輸出 ); input key,rst; output reg led; always @(key or rst) if (!rst) //復(fù)位時led熄滅 led = 1; else if(key == 0) led = ~led; //按鍵按下時led翻轉(zhuǎn) else led = led; endmodule
未經(jīng)過消抖的程序下載到小腳丫上會發(fā)現(xiàn)按鍵有時不能夠控制led翻轉(zhuǎn)，這是因為按鍵的抖動造成了led狀態(tài)變化不可控，所以我們必須將抖動消除。下面是一種延時去抖的程序
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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
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// File name : debounce.v
// Module name : debounce
// Author : STEP
// Description :
//
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History :
// --------------------------------------------------------------------
// Version: |Mod. Date: |Changes Made:
// V1.0 |2017/03/02 |Initial ver
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// Module Function:按鍵消抖
module debounce (clk,rst,key,key_pulse);
parameter N = 1; //要消除的按鍵的數(shù)量
input clk;
input rst;
input [N-1:0] key; //輸入的按鍵
output [N-1:0] key_pulse; //按鍵動作產(chǎn)生的脈沖
reg [N-1:0] key_rst_pre; //定義一個寄存器型變量存儲上一個觸發(fā)時的按鍵值
reg [N-1:0] key_rst; //定義一個寄存器變量儲存儲當(dāng)前時刻觸發(fā)的按鍵值
wire [N-1:0] key_edge; //檢測到按鍵由高到低變化是產(chǎn)生一個高脈沖
//利用非阻塞賦值特點，將兩個時鐘觸發(fā)時按鍵狀態(tài)存儲在兩個寄存器變量中
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if (!rst) begin
key_rst <= {N{1'b1}}; //初始化時給key_rst賦值全為1，{}中表示N個1
key_rst_pre <= {N{1'b1}};
end
else begin
key_rst <= key;
//第一個時鐘上升沿觸發(fā)之后key的值賦給key_rst,同時key_rst的值賦給key_rst_pre
key_rst_pre <= key_rst;
//非阻塞賦值。相當(dāng)于經(jīng)過兩個時鐘觸發(fā)，key_rst存儲的是當(dāng)前時刻key的值，key_rst_pre存儲的是前一個時鐘的key的值
end
end
assign key_edge = key_rst_pre & (~key_rst);//脈沖邊沿檢測。當(dāng)key檢測到下降沿時，key_edge產(chǎn)生一個時鐘周期的高電平 reg [17:0] cnt;
//產(chǎn)生延時所用的計數(shù)器，系統(tǒng)時鐘12MHz，要延時20ms左右時間，至少需要18位計數(shù)器
//產(chǎn)生20ms延時，當(dāng)檢測到key_edge有效是計數(shù)器清零開始計數(shù)
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if(!rst)
cnt <= 18'h0;
else if(key_edge)
cnt <= 18'h0;
else
cnt <= cnt + 1'h1;
end reg [N-1:0] key_sec_pre; //延時后檢測電平寄存器變量
reg [N-1:0] key_sec;
//延時后檢測key，如果按鍵狀態(tài)變低產(chǎn)生一個時鐘的高脈沖。如果按鍵狀態(tài)是高的話說明按鍵無效
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if (!rst)
key_sec <= {N{1'b1}};
else if (cnt==18'h3ffff)
key_sec <= key;
end
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if (!rst)
key_sec_pre <= {N{1'b1}};
else
key_sec_pre <= key_sec;
end
assign key_pulse = key_sec_pre & (~key_sec);
endmodule以上就是一個N位按鍵的消抖程序，如果有按鍵按下會輸出一個時鐘周期的高脈沖。下面我們可以試試用這個按鍵消抖的輸出來觸發(fā)LED的顯示，既按鍵一次LED翻轉(zhuǎn)。你也可以不加按鍵消抖試試用按鍵來控制LED（按一次變亮，再按一次滅掉）。
下面的程序是例化調(diào)用debounce模塊來控制LED
// ******************************************************************** // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< // ******************************************************************** // File name : top.v // Module name : top // Author : STEP // Description : // // -------------------------------------------------------------------- // Code Revision History : // -------------------------------------------------------------------- // Version: |Mod. Date: |Changes Made: // V1.0 |2017/03/02 |Initial ver // -------------------------------------------------------------------- // Module Function:進(jìn)過按鍵消抖后控制led顯示翻轉(zhuǎn) module top (clk,rst,key,led); input clk; input rst; input key; output reg led; wire key_pulse; //當(dāng)按鍵按下時產(chǎn)生一個高脈沖，翻轉(zhuǎn)一次led always @(posedge clk or negedge rst) begin if (!rst) led <= 1'b1; else if (key_pulse) led <= ~led; else led <= led; end //例化消抖module，這里沒有傳遞參數(shù)N，采用了默認(rèn)的N=1 debounce u1 ( .clk (clk), .rst (rst), .key (key), .key_pulse (key_pulse) ); endmodule
引腳分配
設(shè)置好復(fù)位鍵可消抖的按鍵，編譯完成后下載，通過按鍵就可以翻轉(zhuǎn)LED。你也可以定義多個按鍵控制多個LED，還可以比較不加按鍵消抖情況下實際的效果對比如何。
| 信號 | 引腳 |
|---|---|
| clk | C1 |
| rst | L14 |
| key | N14 |
| led | N13 |
小結(jié)
在本實驗學(xué)習(xí)了如何進(jìn)行按鍵的消抖。在很多應(yīng)用情況下我們必須采取消抖才能更好地控制邏輯。在下一個實驗計時控制中我們將學(xué)習(xí)計時的顯示和控制，在這里我們要用到按鍵的消抖以及數(shù)碼管，我們甚至可以用小腳丫做一個計時器甚至電子表。
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