[笔记].一种独立键盘消抖的Verilog写法

图1 KEY原理图

图2 LED原理图

key_led.v

module key_led(
  input            CLOCK_50,
  input            Q_KEY,
  input      [4:1] KEY,
  output reg [4:1] LED
);  

//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
// 获取键值 开始
//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
wire [4:1] key_val;                     // 键值

key_debounce u0(
  .i_clk            (CLOCK_50),
  .i_rst_n          (Q_KEY),
  .i_key            (KEY),
  .o_key_val        (key_val)           // 按下为0，松开为1
);  
//--------------------------------------
// 获取键值 结束
//--------------------------------------


//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
// 按下键后开关LED 开始
//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
always @ (posedge CLOCK_50, negedge Q_KEY)
  if (!Q_KEY)
    LED <= 4'hF;                        // 0灭1亮
  else
    case (1'b0)
      key_val[1] : LED[1] <= ~LED[1];
      key_val[2] : LED[2] <= ~LED[2];
      key_val[3] : LED[3] <= ~LED[3];
      key_val[4] : LED[4] <= ~LED[4];
      default    : LED    <=  LED   ;   // 缺省亮灭情况不变
    endcase 
//--------------------------------------
// 按下键后开关LED 结束
//--------------------------------------

endmodule

key_debounce.v

module key_debounce(
  input            i_clk,
  input            i_rst_n,
  input      [4:1] i_key,               // 按下为0，松开为1
  output reg [4:1] o_key_val            // 键值
);  

//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
reg [4:1] key_samp1, key_samp1_locked;

// 将i_key采集至key_samp1
always @ (posedge i_clk, negedge i_rst_n)
  if(!i_rst_n) 
    key_samp1 <= 4'hF;
  else         
    key_samp1 <= i_key;

// 将key_samp1锁存至key_samp1_locked
always @ (posedge i_clk, negedge i_rst_n)
  if(!i_rst_n) 
    key_samp1_locked <= 4'hF;
  else         
    key_samp1_locked <= key_samp1;
//--------------------------------------

//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
wire [4:1] key_changed1;

// 当key_samp1由1变为0时
// key_changed1由0变为1，只维持一个时钟周期
assign key_changed1 = key_samp1_locked & (~key_samp1); 
//--------------------------------------


//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
reg [19:0] cnt;

// 一旦有按键按下，cnt立即被清零
always @ (posedge i_clk, negedge i_rst_n)
  if(!i_rst_n)
    cnt <= 20'h0;
  else if(key_changed1)
    cnt <= 20'h0;
  else
    cnt <= cnt + 1'b1;
//--------------------------------------


//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
reg [4:1] key_samp2, key_samp2_locked;

// 只有当按键不变化（不抖动），且维持20ms以上时
// 才将i_key采集至key_samp2
always @ (posedge i_clk, negedge i_rst_n)
  if(!i_rst_n)
    key_samp2 <= 4'hF;
  else if(cnt == 20'hF_FFFF)            // 0xFFFFF/50M = 20.9715ms
    key_samp2 <= i_key;

// 将key_samp2锁存至key_samp2_locked
always @ (posedge i_clk, negedge i_rst_n)
  if(!i_rst_n)
    key_samp2_locked <= 4'hF;
  else
    key_samp2_locked <= key_samp2;
//--------------------------------------

//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
wire [4:1] key_changed2;

// 当key_samp2由1变为0时
// key_changed2由0变为1，只维持一个时钟周期
assign key_changed2 = key_samp2_locked & (~key_samp2); 
//--------------------------------------


//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
// 每次按键稳定后，输出键值
// 按下为0，松开为1
always @ (posedge i_clk, negedge i_rst_n)
  if(!i_rst_n)
    o_key_val <= 4'hF;
  else
    o_key_val <= ~key_changed2;
//--------------------------------------

endmodule 

HDL思路

图3 按键抖动

如图3所示，按键在按下和释放的时候都会有一定的抖动。本代码仅消除了按下抖动，没有对释放抖动进行处理。

代码中使用了一个计数器来实现延时。只要这个计数器正常计数到20'hF_FFFF，我们就采样一个值key_samp2，并将其锁存进key_samp2_locked。一旦有下降沿来临，就输出按键改变值key_changed2。同时，该模块也在使用高频时钟i_clk不停地采集键值到key_samp1，并锁存进key_samp1_locked；一旦下降沿存在，输出按键变化值key_changed1，这样计数器就会被清零。假设没有key_changed1，我们将0xFFFFF/50M = 20.9715ms取样一次键值，并检测其下降沿，输出键值。但是由于抖动的原因，采用高频时钟i_clk采样的key_samp1就有可能导致key_changed1为一，进而使得低频的20.9715ms采样延时执行。也就是说，只有按键处于稳定的状态时，key_samp2才被正常采样，才有可能检测到key_changed2。

参考资料

1. 特权.基于verilog按键消抖设计

http://group.ednchina.com/1375/21132.aspx