Verilog按键消抖

Zedd · 发表于 2019-5-7 13:24

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Verilog按键消抖

FPGA按键消抖程序剖析
对于学习  FPGA  的爱好者来说  ，  在我们做的许许多多的系统和项目中都会用到
按键  ，  但是在我们所涉及的按键输入的数据  ，  是不能够直接利用的，而是要经过消
抖，唉，为了初级菜鸟，说简单点吧  ，  什么叫消抖？消抖说白点就是消除抖动引起的
按键不确定性！如果不消抖处理的话，就会按一次可能将相当于按几次出现的结果。相
信玩过单片机的人都清楚  ，  我们在读出按键的时候都会用到一个程序：
If(!key)
{
Delay(x);
If(!key)
{...}
}
这个程序在此就不再延伸解释  ，  我所要说的是  ，  在  FPGA  里面按键的消抖与单片
机的消抖原理都是一样的！或许大家都自己写过或者在网上找到过许多消抖的程序  ，  但是
我所接触的当中  ，  我觉得特权前辈所写的那个是最为经典的  ，  一下就是我盗版特权前辈
的一个程序：
module keyscan_module (
input clk, //  外部输入时钟，我选择  50M
input reset, //  复位  ，  但是在此不建议使用此种复位
//  形式，建议用异步复位同步释放
input key_in, //  按键输入（  1bit  ）
output key_ready); //  按键值输出
/*********************************************/
reg key1,key2;  定义两个寄存器变量
wire key_en;  定义一个线性变量
always @ ( posedge clk or negedge reset)
if ( !reset )
begin
key1 <= 1'b1;
key2 <= 1'b1;
end
else
begin
key1 <= key_in; //  学习过非阻塞式语句的同志，应该不能理解这里
//  第一个时钟读取按键进入第一个寄存器  ，  第二个时钟
key2 <= key1;  将第一个寄存器中的值赋给第二个寄存器
end
assign key_en = key2 & ( ~key1 ); //  当检测到下降沿的时候，  key_en  保持一个时钟的高
电平
/**********************************************/
reg[19:0] cnt;  定义一个计数器
always @ ( posedge clk or negedge reset )
if ( !reset )cnt <= 20'd0;
else if ( key_en ) cnt <= 20'd0; else cnt <= cnt + 1'b1;
/********************************************/
reg key3,key4;
always @ ( posedge clk or negedge reset )
if ( !reset ) key3 <= 1'b1;
else if ( cnt == 20'hfffff) //  当计数到  20ms  的时候
key3 <= key_in;
always @ (posedge clk or negedge reset) //  下一个时钟把  key3  的按键值赋给  key4
if(!reset)key4 <= 1'b1;
else key4 <= key3;assign key_ready = key4 & ( ~key3); //  当有按键按下时  ，  输出有效  ，  保
持一个时钟周期  ；
endmodule
下面我们来好好研究下这个程序：
整个程序的基本思路是这样的  ：  系统上电后  ，  计数器就开始计数  ，
（注意啊  ，  不管有没有按键按下都在计数  ，  每次计数  20MS  ）  于此同
时，系统也在不断采集  key_in  的电平，假设在一个时钟上升沿的时
候，检测到  key_in  为高电平  ，  （那么  key1<=1,key2<=1  ）在下一个时
钟上升沿的时候检测到低电平  (key1<=0;key2<=1)  那么执行这个语句
assign key_en = key2 & ( ~key1 )  那么  key_en  就会得到一个高电
平  ，  当第三个时钟上升沿的时候  （  key1<=0,key2<=0  ）  由此可知  ，  key_e n
只保持一个时钟周期的高电平  ，  而且仅是当检测到有下降沿的时候才
会变为高电平  。  说到计数器  ，  前面也说了  ，  上电之后计数器就一直在
计数，当时当  key_en  为高电平的时候，计数清零，也就是说，当前
面检测到下降沿之后就重新开始计数，
else if ( key_en ) cnt <= 20'd0;
else cnt <= cnt + 1'b1;
然后到这个程序
else if ( cnt == 20'hfffff) //  当计数到  20ms  的时候
key3 <= key_in;
这个程序的作用是计数到了  20ms  之后再一次读取  key_in  的值  ，
换句话说，就是从前面检测到下降沿之后，  20ms  后再去检测！我们
都知道，抖动所产生的毛刺都是在  us  级别的，哎呀，再怎么大也大
不过  20ms  的，而我们按按键的话那肯定就不止  20ms  啦，再怎么快也要  500ms  以上吧！
再结合下段程序：
always @ (posedge clk or negedge reset) //  下一个时钟把  key3  的按
键值赋给  key4
if(!reset)key4 <= 1'b1;
else key4 <= key3;
assign key_ready = key4 & ( ~key3); //
假设第一次检测到的下降沿是由于抖动产生的毛刺  ，  那么  20M S
后  ，  过  滤  掉  毛  刺  ，  检  测  到  的  应  该  是  一  个  高  电  平
（  key3<=1,key4<=1,key_ready=0  ）  ,  假如前面检测到的下降沿不是由于
毛刺，而是按键按下的，那么  20MS  后，  key_in  肯定还会是低电平  ，
所以  （  key3<=0,key4<=1,key_ready=1  ）  ,  而在  20MS  之后的下一个时钟（  key3<=0,key4<=0,  那么  key_ready=0  ）  key_read  只保持一个时钟周期的时间！
为什么这个消抖程序被列为经典呢？大家神人研究后不妨从
时序和资源方面去考虑一下，昨天我在一本黑金的教程上面弄了一
个，一个按键就消耗  80  多个  lut  ，而这个只要  30  个，试想一下，  做
16  个按键都上千呢，那其他模块怎么办？还有我觉得很好的一点就
是它的输出  （  key_ready  ）  只保持一个时钟周期  ，  有利于上层模块采集  ！
哎呀  ，  没有对比  ，  看不出差距  ，  以下是我们老师教我写的一个消抖程
序：他的思路是：把系统时钟（  50M  ）分频  100K  （  10ms  ）后再去读
取按键值
Always @ (posedge clk_100K or negedge reset)
If(!reset)begin key1<=1;key2<=1; end
Else begin key1<=key_in;key2<=key1;end
Assign key_ready=key2 & !key1;
大家看一下这个程序  ，  原理和特权的那个差不多  ，  看似更加简单  ，
的确，这个程序可以消抖，但是存在一个问题，就是  key_ready  也会
保持  10MS  的一个高电平  ，  有些人会问  ，  高电平持续就一点不是方便
上层采集吗？其实不然  ，  举个例子  ：  我们用一个按键  ，  控制一个二极
管，按一下亮，再按一下灭，程序大概这样：Always @ (posedge clk or negedge )
.........................................(  省略  )
If(key_ready) led<=~led
我们使用的系统时钟是很高的，假如  key_ready  保持不是一个时
钟周期  ，  而是  10ms,  那么我们按一次  ，  led  就会一亮一灭很多次  ！  碰到
这种情况，一般要用组合逻辑解决，比如
Always @ (key_read or negedge)
...................
If(key_reaf)......
这样也可以实现按一次变化一次  ，  但是大家都知道  ，  组合逻辑往
往会给我们带来许多时序上的问题，能用同步就同步  !  在此也特别提
醒诸位，在  if(x)  判断电平的时候多考虑一下，免得出错！

对于消抖程序忠告如下
reg [3:0]key1_reg;
reg [3:0]key2_reg;
always @(posedge clk,negedge rest)begin
  if(!rest)begin
key1_reg<=4'b1111;
key2_reg<=4’b1111;
  end
  else if(counter==5'hfffff)begin
key1_reg<=key;
key2_reg<=key1_reg
end
assign key_ctr=key2_reg&(~key1_reg);
这段程序，20ms后采样 key的值给 key1_reg,而 key2_reg值为 key1_reg前一时刻的值，有按键按下时 key_ctr 为 1，可是程序中 key2_reg 值 20ms 才刷新一次，如果在做我们用一个按
键  ，  控制一个二极
管，按一下亮，再按一下灭，程序大概这样：Always @ (posedge clk or negedge )
.........................................(  省略  )
If(key_ready) led<=~led
这段 20ms 时间内每一晶振脉冲下 led 都翻转，这样灯就一闪一闪，不能达到要求，而我们
程序改成这样：
reg [3:0]key1_reg;
reg [3:0]key2_reg;
always @(posedge clk,negedge rest)begin
  if(!rest)
key1_reg<=4'b1111;
  else if(counter==5'hfffff)
key1_reg<=key;
end
always @(posedge clk,negedge rest)begin
  if(!rest)
key2_reg<=4'b1111;
  else
key2_reg<=key1_reg;
end
assign key_ctr=key2_reg&(~key1_reg);
Always @ (posedge clk or negedge rest )
.........................................(  省略  )
If(key_ready) led<=~led；
这样 led 就只是翻转一次才能达到控制效果。

smileqq · 发表于 2019-5-7 17:43

谢谢分享

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