写在前面的话
我们通常所用的按键开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会马上断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了避免这种现象造成的干扰而作的措施就是按键消抖。
抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～10ms。按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒。键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保智能单元对按键的一次闭合仅作一次处理，必须消除键抖动。在按键闭合稳定时读取键的状态，并且必须判别到按键释放稳定后再作处理。按键的消抖，可用硬件或软件两种方法，梦翼师兄这里主要介绍一下软件的消除方法。
基于尖峰脉冲的按键消抖
尖峰脉冲是电路设计中非常重要的一种信号，很多层次化设计中模块间的握手信号一般都会使用尖峰脉冲，正确的应用尖峰脉冲信号，可以有效的减少系统的逻辑冗余，提高系统稳定性和执行效率。本节，我们就来学习如何利用尖峰脉冲实现按键消抖。
项目需求
用一个按键控制数码管显示，数码管显示的数值为按键的次数，每按一次按键，数码管显示的数值加一，数值从0-F循环显示。
误区排除
由于数码管在之前的章节中已经有很详细的论述，所以这里我们忽略数码管驱动部分，把注意力放在按键次数的累加模块。说到这里，很多人的脑海中可能会出现下述代码：
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always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin sum <= 1'b0; //赋初值 end else begin if (!key_in) //有按键按下 sum <= sum + 1; //计数器加1 else sum <= sum; //计数值不变 end end |
这个always块的主要意思是如果检测到按键变为低电平，则说明有按键按下，然后就开始计数累加。这是最容易想到的一种错误方式，假设我们按键按下的时间特别长，那么key_in就会一直保持为低电平，我们的sum计数值也就会因此而不断累加。这与我们每按键一次，计数值只加一的目标是不相符的，而且这种方式并不能处理电路中遇到的抖动。
那么，我们该如何是好呢？分析上述电路，我们发现计数值不断累积加的原因在于每次按键按下，key_in都会保持多个周期的低电平。那么我们是否能产生这样一个信号呢-每次按键按下，不管按键时间如何，该信号能且仅能维持一个时钟周期的高电平。如果可以产生出这样的尖峰脉冲，那么我们就可以实现每次按键，计数值加且只加一的结果。
设计思路
为了证实上述想法的可行性，接下来我们设计流程图如下：
结构说明：当检测到有按键按下时，为了消除抖动，我们启动延时计数器，如果按键保持低电平的时间足够长，那么计数值一定会满足我们设置好的延时条件，否则计数清零，等待下次按键到来。如果延时计数满足条件，说明确定有按键按下，那么我们就可以输出一个尖峰脉冲，从而控制sum累加。
系统框架
顶层端口描述
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端口名 |
端口说明 |
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Clk |
系统50MHz时钟输入 |
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rst_n |
系统低电平复位 |
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key_in |
系统外部按键输入 |
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Sum |
输出按键累加值 |
6.6.8 代码解释
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/**************************************************** * Engineer : 梦翼师兄 * QQ : 761664056 * The module function:按键消抖模块 *****************************************************/ 01 module pulse( 02 //系统输入 03 clk,//系统50MHZ时钟输入 04 rst_n,//低电平复位信号输入 05 key_in,//外部按键输入 06 //系统输出 07 sum//按键次数计数器 08 ); 09 10 //-----------------系统输入--------------------- 11 input clk;//系统50MHZ时钟输入 12 input rst_n;//低电平复位信号输入 13 input key_in;//外部按键输入 14 15 //-----------------系统输出--------------------- 16 output reg [3:0]sum;//按键次数计数器 17 18 //------------------寄存器定义------------------ 19 reg [10:0]counter;//消抖延时计数器 20 reg state;//状态寄存器 21 reg pos_flag;//尖峰脉冲寄存器 22 23 //----------按键消抖以后产生尖峰脉冲------------ 24 always@(posedge clk or negedge rst_n) 25 begin 26 if(!rst_n) 27 begin 28 counter<=0; //消抖延时计数器清零 29 state<=0; //状态寄存器清零 30 pos_flag<=0;//尖峰脉冲寄存器清零 31 end 32 else 33 begin 34 case(state) 35 0:begin 36 if(counter<10)//消抖延时计数器未开始计数 37 begin /*key_in==0，说明有按键按下*/ 38 if(!key_in) 39 begin 40 /*消抖延时计数器开始计数*/ counter<=counter+1; 41 end 42 //key_in==1，说明按键放开，而此时计数值未满， 43 //说明刚才的“按键”是抖动 44 else 45 begin 46 /*消抖延时计数器清零*/ counter<=0; 47 end 48 end 49 else//计数值满，说明确定有按键按下 50 begin 51 //尖峰脉冲寄存器置为高电平 52 pos_flag<=1; 53 counter<=0;//消抖延时计数器清零 54 state<=1;//跳转到下一状态 55 end 56 end 57 1:begin 58 pos_flag<=0;//尖峰脉冲寄存器置为低电平 59 //key_in==1，说明按键放开（一次按键动作完整结束） 60 if(key_in) 61 state<=0;//状态返回，等待下次按键到来 62 end 63 default:state<=0;//状态返回 64 endcase 65 end 66 end 67 //-----------------------累计尖峰脉冲出现次数----------------------- 68 always@(posedge clk or negedge rst_n) 69 begin 70 if(!rst_n) 71 begin 72 sum<=0;//按键计数器清零 73 end 74 else 75 begin 76 if(pos_flag)//尖峰脉冲到来，说明按键按下 77 sum<=sum+1;//按键计数器累加 78 end 79 end 80 endmodule |
当检测到有按键按下时，延时计数器开始计数，在计数的这段时间如果检测到按键是放开的，我们认为是按键抖动，计数器清零，等待下一次的按键按下，如果按键一直按下并满足我们预先设置的最大计数值，我们认为是真正有按键按下，延时计数器清零，pos_flag 信号拉高，状态向下跳转。在下一个状态 pos_flag 信号拉低，如果检测到按键放开，状态跳转到上一个状态等待下一次按键按下。这样就产生了一个周期的尖峰脉冲。从第68行到结束，当检测到一个尖峰脉冲的时候，按键计数器加1。
编写测试代码如下：
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/**************************************************** * Engineer : 梦翼师兄 * QQ : 761664056 * The module function:按键消抖测试模块 *****************************************************/ 01 `timescale 1ns/1ps 02 03 module tb; 04 05 //-----------------------系统输入----------------------- 06 reg clk;//系统50MHZ时钟输入 07 reg rst_n;//低电平复位信号输入 08 reg key_in;//外部按键输入 09 10 //-----------------------系统输出----------------------- 11 wire [3:0]sum;//按键次数计数器 12 13 //-----------------------产生测试激励------------------- 14 initial 15 begin 16 clk=0; 17 rst_n=0; 18 key_in=1; 19 # 1000.1 rst_n=1; 20 //-------------------模拟按键动作------------------- 21 # 1000 key_in=0; 22 # 1000 key_in=1; 23 # 100 key_in=0; 24 # 100 key_in=1; 25 # 300 key_in=0; 26 # 300 key_in=1; 27 # 100 key_in=0; 28 # 200 key_in=1; 29 # 1000 key_in=0; 30 # 900 key_in=1; 31 # 1000 key_in=0; 32 # 800 key_in=1; 33 # 1000 key_in=0; 34 # 1000 key_in=1; 35 //---------------------------------------------- 36 end 37 38 always #10 clk=~clk;//50MHZ晶振 39 40 //----------------实例化被测试模块---------------- 41 pulse pulse ( 42 //系统输入 43 .clk(clk),//系统50MHZ时钟输入 44 .rst_n(rst_n),//低电平复位信号输入 45 .key_in(key_in),//外部按键输入 46 //系统输出 47 .sum(sum)//按键次数计数器 48 ); 49 endmodule |
仿真分析
我们再放大标示线区域：
由上述波形可以看出，当按键按下以后，计数器首先开始计数，当计数值不满足时，计数器清零并等待下一次按键按下。当计数值满足以后，才会输出一个时钟周期的尖峰脉冲，而按键次数寄存器sum也会在尖峰脉冲的作用下开始累加。每次按键按下，只会出现一次尖峰脉冲，说明我们的设计是正确的。
注：本设计中，我们只是消除了按键按下时候的抖动，而按键放开时候的抖动我们并没有处理，梦翼师兄希望大家可以自行将改代码填充完整。