几种按键消抖方案的verilog描述

首先，做两个假定，以方便后面的描述

• 假定按键的默认状态为0，被按下后为1
• 假定按键抖动时长小于20ms，也即使用20ms的消抖时间

核心：方案

• 最容易想到的方案

　　　　在按键电平稳定的情况下，当第一次检测到键位电平变化，开始20ms计时，计时时间到后将按键电平更新为当前电平

• 或许这才是最容易想的方案

　　　　在20ms计时的过程中，有任何的电平变化都立即复位计时

• 消除按键反应延时抖方案

　　　　在有电平变化时立即改变按键输出电平，并开始20ms计时，忽略这其中抖动

测试平台设计（修改代码以仿真的1us代替实际1ms）

• 无抖动 上升沿抖动5毫秒
• 下降沿抖动15毫秒
• 上升和下降沿均抖动19毫秒

　　附加测试（可以不通过）

• 抖动25毫秒

代码

• 方案1

module debounce(
    input wire clk, nrst,
    input wire key_in,
    output reg key_out
    );

    // 20ms parameter
//    localparam TIME_20MS = 1_000_000;
    localparam TIME_20MS = 1_000;       // just for test

    // variable
    reg [20:0] cnt;
    reg key_cnt;
    
    // debounce time passed, refresh key state
    always @(posedge clk or negedge nrst) begin
        if(nrst == 0)
            key_out <= 0;
        else if(cnt == TIME_20MS - 1)
            key_out <= key_in;
    end

    // while in debounce state, count, otherwise 0
    always @(posedge clk or negedge nrst) begin
        if(nrst == 0)
            cnt <= 0;
        else if(key_cnt)
            cnt <= cnt + 1'b1;
        else
            cnt <= 0; 
    end
     
     // 
     always @(posedge clk or negedge nrst) begin
            if(nrst == 0)
                key_cnt <= 0;
            else if(key_cnt == 0 && key_in != key_out)
                key_cnt <= 1;
            else if(cnt == TIME_20MS - 1)
                key_cnt <= 0;
     end
endmodule

• 方案2

module debounce(
    input wire clk, nrst,
    input wire key_in,
    output reg key_out
    );

//    localparam TIME_20MS = 1_000_000;
    localparam TIME_20MS = 1_000;

    reg key_cnt;
    reg [20:0] cnt;

    always @(posedge clk or negedge nrst) begin
        if(nrst == 0)
            key_cnt <= 0;
        else if(cnt == TIME_20MS - 1)
            key_cnt <= 0;
        else if(key_cnt == 0 && key_out != key_in)
            key_cnt <= 1;
    end

    always @(posedge clk or negedge nrst) begin
        if(nrst == 0)
            cnt <= 0;
        else if(key_cnt) begin
            if(key_out == key_in)
                cnt <= 0;
            else
                cnt <= cnt + 1'b1;
        end
        else
            cnt <= 0;
    end
     
     always @(posedge clk or negedge nrst) begin
            if(nrst == 0)
                key_out <= 0;
            else if(cnt == TIME_20MS - 1)
                key_out <= key_in;
     end
endmodule

• 方案3

module debounce(
    input wire clk, nrst,
    input wire key_in,
    output reg key_out
    );

//    localparam TIME_20MS = 1_000_000;
    localparam TIME_20MS = 1_000;       // just for test

    reg key_cnt;
    reg [20:0] cnt;

    always @(posedge clk or negedge nrst) begin
        if(nrst == 0)
            key_cnt <= 0;
        else if(key_cnt == 0 && key_out != key_in)
            key_cnt <= 1;
        else if(cnt == TIME_20MS - 1)
            key_cnt <= 0;
    end

    always @(posedge clk or negedge nrst) begin
        if(nrst == 0)
            cnt <= 0;
        else if(key_cnt)
            cnt <= cnt + 1'b1;
        else
            cnt <= 0;
    end

    always @(posedge clk or negedge nrst) begin
        if(nrst == 0)
            key_out <= 0;
        else if(key_cnt == 0 && key_out != key_in)
            key_out <= key_in;
    end
endmodule

• 测试代码

// 按键消抖测试电路

// 时间单位
`timescale 1ns/10ps

// module
module  debounce_tb;

    // time period parameter
    localparam T = 20;

    // variable
    reg clk, nrst;
    reg key_in;
    wire key_out;

    // instantiate
    debounce uut(
        .clk    (clk    ),
        .nrst   (nrst   ),
        .key_in (key_in ),
        .key_out(key_out)
    );

    // clock
    initial begin
        clk = 1;
        forever #(T/2) clk = ~clk;
    end

    // reset
    initial begin
        nrst = 1;
        @(negedge clk) nrst = 0;
        @(negedge clk) nrst = 1;
    end

    // key_in
    initial begin
        // initial value
        key_in = 0;
        
        // wait reset
        repeat(3) @(negedge clk);
        
        // no bounce
        // key down
        key_in = 1;

        // last 60ms
        repeat(3000) @(negedge clk);

        // key up
        key_in = 0;

        // wait 50ms
        repeat(2500) @(negedge clk);

        // down 5ms, up 15ms
        // key down, bounce 5ms
        repeat(251) @(negedge clk) key_in = ~key_in;

        // last 60ms
        repeat(3000) @(negedge clk);

        // key up, bounce 15ms
        repeat(751) @(negedge clk) key_in = ~key_in;

        // wait 50ms
        repeat(2500) @(negedge clk);

        // down 19ms, up 19ms
        // key down, bounce 19ms
        repeat(951) @(negedge clk) key_in = ~key_in;

        // last 60ms
        repeat(3000) @(negedge clk);

        // key up, bounce 19ms
        repeat(951) @(negedge clk) key_in = ~key_in;

        // wait 50ms
        repeat(2500) @(negedge clk);
        
        // additional, this situation shoud not ever happen
        // down 25ms, up 25ms
        // key down, bounce 25ms
        repeat(1251) @(negedge clk) key_in = ~key_in;

        // last 60ms
        repeat(3000) @(negedge clk);

        // key up, bounce 25ms
        repeat(1251) @(negedge clk) key_in = ~key_in;

        // wait 50ms
        repeat(2500) @(negedge clk);

        // stop
        $stop;
    end
endmodule

放在最后的，并不一定是最不重要的

　　对于上面的三种方案，我比较喜欢第三种方案，它更贴合实际的按键状态，以上的代码我都做过modelsim仿真，但还没有在实际的项目中验证。在整理准备这个博客的时候，我又想到了一个感觉是更巧妙的方案，具体是这样的：在第三个方案的基础上，因为按键输入有变化的第一时刻，输出就已经改变了，在这种情况下，我可以把计时的时长改为一个很小的值，该值只要比抖动中的最长高低电平变化时间长即可。但想想也没这个必要，且这个抖动的高低电平变化时长我也很难去给它界定一个值。