FPGA快速入门-按键消抖

FPGA快速入门-按键消抖
键盘分编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生键编码号或键值的称为编码键盘，如计算机键盘。而靠软件编程来识别的称为非编码键盘。
在一般嵌入式应用中，用的最多的是非编码键盘，也有用到编码键盘的。非编码键盘又分为独立键盘和行列式（又称为矩阵式）键盘。所谓独立式键盘，即嵌入式CPU（或称MCU）的一个GPIO口对应一个按键输入，这个输入值的高低状态就是键值。矩阵键盘用于采集键值的GPIO是复用的，一般分为行和列采集，例如4*4矩阵键盘就只需要行列各4个按键就可以了，矩阵键盘的控制较独立键盘要复杂得多，本实验未涉及，所以对其原理不做详细介绍。
独立按键一般有2组管脚，虽然市面上我们常常看到有4个管脚的按键，但它们一般是两两导通的，这2组管脚在按键未被按下时是断开的，在按键被按下时则是导通的。基于此原理，我们一般会把按键的一个管脚接地，另一个管脚上拉到VCC，并且也连接到GPIO。这样，在按键未被按下时，GPIO的连接状态为上拉到VCC，则键值为1；按键被按下时，GPIO虽然还是上拉到VCC，但同时被导通的另一个管脚拉到地了，所以它的键值实际上是0。
如图所示，在本实验中，我们有一组4*4矩阵键盘。但是通过P12的PIN1-2短接时，其实S1/S2/S3/S4可以作为独立按键使用，它的一端接地，另一端在上拉的同时连接到FPGA的I/O口。当I/O口的电平为高（1）时，说明按键没有被按下，当I/O口的电平为低（0）时，说明按键被按下了。

图 1矩阵按键电路图
有人可能会说，按键值的采集判断有什么难的，我读连接按键的GPIO为1则未被按下，为0则被按下。话虽这么说，可实际情况可比这要复杂得多。如图8.11所示，按键在闭合和断开时，触点会存在抖动现象，这个抖动不仅和按键本身的机械结构有关，也和按键者的动作快慢轻重有关。因此，在按键按下或者释放的时候都会出现一个不稳定的抖动时间，如果不处理好这个抖动时间，我们就无法正确采集到正确有效的按键值，所以我们的设计中必须有效消除按键抖动。如何进行有效的消抖，是本实验的重点。

图 2按键抖动波形
在我们的按键采集中，为了有效的滤除按键抖动，我们使用了一个大约40ms的计数器，在按键值没有变化的时候，这个计数器总是不停的计数，并且计数到40ms最大值时进行一次当前按键值采样（作为最终键值锁存下来）。另外，我们专门设置2个寄存器对当前的按键输入值进行多拍锁存（并不作为最终的键值），并且利用这两个寄存器前后值的变化来判断当前键值是否有跳变（如从1变成0，或从0变成1）。若有键值的跳变，则40ms计数器就会清0，相当于重新开始计数，这样就能够保证按键被按下或者松开时短于40ms的抖动情况下不锁存键值，从而达到滤除任何短于40ms的按键抖动。在实际应用中，40ms足以应付一般的按键抖动，当然具体环境也要具体分析，设计者可以根据需要调整这个计数器的计数值，只要能够更好的满足抖动的需要即可。
如图所示，这里的40ms计数器只有在计数到最大值时产生锁存当前键值的时能信号，在抖动期间按键的采样周期也会相应的变长一些，但却能够得到更加稳定准确的键值。

图3按键消抖处理
除了前面所论及的按键消抖处理，该实验还需要用到LED指示灯进行按键状态的指示。该实验要实现一个独立按键控制一个发光二极管亮暗状态翻转。上电初始，发光二极管不亮，当某一个按键被按下后（即键值为0），发光二极管被点亮，当按键再次被按下时，发光二极管则又灭了，按键控制发光二级管如此反复的进行亮暗变化。
         本实例代码如下。
module cy4(
            input ext_clk_25m, //外部输入25MHz时钟信号
            input ext_rst_n,   //外部输入复位信号，低电平有效
            input[3:0] key_v,//4个独立按键输入，未按下为高电平，按下后为低电平
            output reg[7:0] led    //8个LED指示灯接口   
            );
//-------------------------------------
//按键抖动判断逻辑
wire key;   //所有按键值相与的结果，用于按键触发判断
reg[3:0] keyr;  //按键值key的缓存寄存器

assign key = key_v[0] & key_v[1] & key_v[2] & key_v[3];

always @(posedge ext_clk_25m or negedge ext_rst_n)
    if (!ext_rst_n) keyr <= 4'b1111;
    else keyr <= {keyr[2:0],key};

wire key_neg = ~keyr[2] & keyr[3]; //有按键被按下
wire key_pos = keyr[2] & ~keyr[3]; //有按键被释放

//-------------------------------------
//定时计数逻辑，用于对按键的消抖判断
reg[19:0]  cnt;

    //按键消抖定时计数器
always @ (posedge ext_clk_25m or negedge ext_rst_n)
   if (!ext_rst_n) cnt <= 20'd0;  
    else if(key_pos || key_neg) cnt <= 20'd0;
    else if(cnt < 20'd999_999) cnt <= cnt + 1'b1;
    else cnt <= 20'd0;

reg[3:0] key_value[1:0];

    //定时采集按键值
always @(posedge ext_clk_25m or negedge ext_rst_n)
    if (!ext_rst_n) begin
        key_value[0] <= 4'b1111;
        key_value[1] <= 4'b1111;
    end
    else begin
        key_value[1] <= key_value[0];     
        if(cnt == 20'd999_999) key_value[0] <= key_v;  //定时键值采集
        else ;
    end

wire[3:0] key_press = key_value[1] & ~key_value[0];       //消抖后按键值变化标志位

//-------------------------------------
//LED切换控制

always @ (posedge ext_clk_25m or negedge ext_rst_n)
    if (!ext_rst_n) led <= 8'hff;
    else if(key_press[0]) led[0] <= ~led[0];
    else if(key_press[1]) led[1] <= ~led[1];
    else if(key_press[2]) led[2] <= ~led[2];
    else if(key_press[3]) led[3] <= ~led[3];
    else ;
  
endmodule
         这段代码的前提是，所有4个独立按键，在任意一个按键被按下和释放期间，不会有其它按键也被按下或释放。在通常的应用中，一定也是符合这个假设的场景。
         我们处理消抖的逻辑是这样的：首先将所有按键输入信号做“逻辑与”操作，得到信号key。信号key的值锁存4拍分别存储到寄存器keyr[0]、keyr[1]、keyr[2]和keyr[3]中（此时的采样频率和基准时钟一致，为25MHz），通过keyr[2]和keyr[3]这两个寄存器获得key信号的上升沿标志位key_pos和下降沿标志位key_neg。key_pos和key_neg的获得过程分别如图4和图5所示，这是很典型的“脉冲边沿检测法”，后续很多代码中我们都会用到这个逻辑。

图4上升沿脉冲检测波形

图5下降沿脉冲检测波形
计数器cnt在key_pos和key_neg有效拉高时，都会清零重新开始计数，计数器cnt的最大计数值为40ms，若在某个固定时间内按键有抖动（这个抖动通常不会大于40ms，这是经验值），那么这段时间内计数器cnt会频繁的清0，cnt的计数值就不会计数到最大值。一旦cnt计数到最大值，我们就会对当前所有的按键值做一次锁存，锁存到4位寄存器key_value[0]中（即这个锁存操作的采样率是40ms为周期的，若按键的抖动小于40ms，那么采样的按键值是不会变化的，那么就达到了消除抖动的目的）。随后，以系统时钟节拍下，key_value[1]会锁存key_value[0]的值。当按键按下操作，产生按键值的下降沿变化，那么key_press就会获得一个时钟周期高脉冲的键值指示信号，通过这个键值指示信号，我们就可以对LED的翻转做相应处理。

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