【黑金原创教程】【FPGA那些事儿驱动篇I 】实验二：按键模块① 消抖

实验二：按键模块① - 消抖

按键消抖实验可谓是经典中的经典，按键消抖实验虽曾在《建模篇》出现过，而且还惹来一堆麻烦。事实上，笔者这是在刁难各位同学，好让对方的惯性思维短路一下，但是惨遭口水攻击 ... 面对它，笔者宛如被甩的男人，对它又爱又恨。不管怎么样，如今 I’ll be back，笔者再也不会重复一样的悲剧。

按键消抖说傻不傻说难不难。所谓傻，它因为原理不仅简单（就是延迟几下下而已），而且顺序语言（C语言）也有无数不尽的例子。所谓难，那是因为人们很难从单片机的思维跳出来 ... 此外，按键消抖也有许多细节未曾被人重视，真是让人伤心。按键消抖一般有3段操作：

l 检测电平变化；

l 过滤抖动（延迟）；

l 产生有效按键。

假设C语言与单片机的组合想要检测电平变化，它们一般是利用if查询或者外部中断。事后，如果这对组合想要过滤抖动，那么可以借用for延迟的力量，又或者依赖定时中断产生精明的延迟效果。反观有效案件的产生，这对组合视乎而外钟情“按下有效”似的 ... 不管怎么样，C语言与单片机这对组合在处理按键的时候，它们往往会错过一些黄金。

“黄金？”，读者震撼道。

所谓黄金时间就是电平发生变化那一瞬间，还有消抖（延迟）以后那一瞬间。按键按下期间，按键的输入电平故会发生变化，如果使用if查询去检测，结果很容易浪费单片机的处理资源，因为单片机必须一直等待 ... 换之，如果反用外部中断，中断寻址也会耽误诺干时间。

假设C语言与单片机这对组合挨过电平检测这起难关，余下的困难却是消抖动作。如果利用for循环实现去消抖，例如 Delay_ms(10) 之类的函数。For循环不仅计数不紧密，而且还会白白浪费单片机的处理资源。定时中断虽然计数紧密，但是中断触发依然也会产生诺干的寻址延迟。补上，所谓寻址延迟是处理器处理中断触发的时候，它要事先保护现场之余，也要寻址中断处理入口，然后执行中断函数，完后回复现场，最后再返回当前的工作。

感觉上，笔者好似在欺负C语言以及单片机，死劲说它们的不是。亲爱的读者，千万别误会，笔者只是在陈述事实而已。单片机本来就是比较粗野的爷们，它很难做到紧凑又毫无空隙的操作，反观FPGA却异常在行。所以说，单片机的思路很难沿用在FPGA身上，否则会出现许多笑话。如今，这是描述语言以及FPGA的新时代，所谓后浪推前浪正是新旧时代的替换。

FPGA不仅没有隐性处理，而且描述语言也是自由自身。我们只要方法得当，手段有效，“黄金”要多少就有多少 ... 哇哈哈！在此，笔者说了那么多废话只是告知读者，千万别用单片机的思维去猜摸FPGA如何处理按键校抖，不然问号会没完没了。好了，废话差不多说完了，让我们切回主题吧。

图2.1 按键活动的时序示意图。

如图2.1 所示，那是按键活动的时序图。高电为平按键默认状态，按键一旦按下，“按下事件”就发生了，电平随之发生抖动，抖动周期大约为10ms。事后，如果按键依然按着不放，那么电平便会处于低电平。换之，如果按键此刻被释放，那么“释放事件”发生了，电平随之由低变高，然后发生抖动，抖动周期大约为10ms。笔者曾在前面说过，按键消抖组一般有3个工作要做，亦即检测电平变化，过滤抖动，还有产生有效按键。

检测电平变化：

图2.2 按键电平变化，按下事件与释放事件。

顾名思义，检测电平变化就是用来察觉“按下事件”还有“释放事件”，或者监控电平的状态变化。如图2.2所示，笔者建立一组寄存器F1~F2，F1暂存当前的电平状态，F2则暂存上一个时钟的电平状态。Verilog语言可以这样表示，如代码2.1所示：

reg F2,F1;
always @ ( posedge CLOCK )
    { F2,F1 } <= { F1,KEY };

代码2.1所示

根据图2.2的显示，按下事件是 F2 为1值，F1为0值；释放事件则是 F2为0值，F1为1值。为了不要错过电平变化的黄金时间，“按下事件”还有“释放事件”必须作为“即时“，为此 Verilog语言可以这样表示：

wire isH2L = ( F2 == 1 && F1 == 0 );
wire isL2H = ( F2 == 0 && F1 == 1 );

过滤抖动：

图2.3 过滤抖动。

过滤抖动就是也可以称为延迟抖动，常规又廉价的机械按键，抖动时间大约是10ms之内，如图2.3.所示。抖动一般都发生在“按下事件”或者“释放事件”以后，过滤抖动就是延迟诺干时间即可。Verilog语言则可以这样表示，如代码2.2所示：

3:
if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 19'd0; i <= i + 1'b1; end
else C1 <= C1 + 1'b1;

代码2.2

产生有效按键：

图2.4 产生有效按键。

产生有效按键亦即立旗有效的按键事件，如图2.4所示，按下有效isPress信号，还有释放有效isRelease信号，两个信号分别都是拉高一个时钟。除了常见的按下有效或者释放有效以外，根据设计要求，有效按键按也有其它，例如：按键按下两下有效（双击），按键按下一段时间有效（长击）。至于Verilog语言则可以这样表示，如代码2.3所示：

1: begin isPress <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
2: begin isPress <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end
...
1: begin isRelease <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
2: begin isRelease <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end

代码2.3

热身完毕后，我们就可以进入实验主题了。

图2.5 实验二建模图。

如图2.5所示，哪里有一块名为 key_funcmod 的功能模块，输入端为 KEY信号，输出端却为 LED信号。KEY信号连接按键资源，LED信号分别驱动两位LED资源。按键功能模块的工作主要是过滤 KEY信号变化以后所发生的抖动，接着产生“按下有效”还有“释放有效”两个有效按键，然后点亮LED资源。

key_funcmod.v

1.    module key_funcmod
2.    (
3.         input CLOCK, RESET,
4.         input KEY,
5.         output [1:0]LED
6.    );

以上内容为出入端声明。

7.         parameter T10MS = 19'd500_000;
8.
9.         /***************************/ //sub
10.
11.         reg F2,F1;
12.
13.         always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
14.             if( !RESET )
15.                  { F2, F1 } <= 2'b11;
16.              else
17.                  { F2, F1 } <= { F1, KEY };
18.
19.         /***************************/ //core
20.
21.        wire isH2L = ( F2 == 1 && F1 == 0 );
22.        wire isL2H = ( F2 == 0 && F1 == 1 );

以上内容为常量声明以及电平检测的周边操作。第7行则是10ms的常量声明，第11~17则是电平状态检测的周边操作。至于第21~22行则是“按下事件”还有“释放事件”的即时声明。

23.         reg [3:0]i;
24.         reg isPress, isRelease;
25.         reg [18:0]C1;
26.
27.         always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
28.             if( !RESET )
29.                   begin
30.                          i <= 4'd0;
31.                         { isPress,isRelease } <= 2'b00;
32.                         C1 <= 19'd0;
33.                     end
34.              else

以上内容为相关的寄存器声明以及复位操作。i用来指向步骤，isPress与 isRelease则标示按下有效亦即释放有效，C1则用来计数。

35. case(i)
36.
37.         0: // H2L check
38.         if( isH2L ) i <= i + 1'b1;
39.
40.         1: // H2L debounce
41.         if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 19'd0; i <= i + 1'b1; end
42.         else C1 <= C1 + 1'b1;
43.
44.         2: // Key trigger prees up
45.         begin isPress <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
46.
47.         3: // Key trigger prees down
48.         begin isPress <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end
49.
50.         4: // L2H check
51.         if( isL2H ) i <= i + 1'b1;
52.
53.         5: // L2H debounce
54.         if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 19'd0; i <= i + 1'b1; end
55.         else C1 <= C1 + 1'b1;
56.
57.         6: // Key trigger prees up
58.        begin isRelease <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
59.
60.         7: // Key trigger prees down
61.        begin isRelease <= 1'b0; i <= 4’d0; end
62.       
63. endcase

以上内容为核心操作。具体的核心操作过程如下：
步骤 0 等待电平由高变低；
步骤 2 用来过滤由高变低所引发的抖动；
步骤 1~3 用来产生按下有效的高脉冲；
步骤 4 等待电平由低变高；
步骤 5 用来过滤由低变高所引发的抖动；
步骤 6~7 用来产生释放有效的高脉冲，然后返回步骤 0。

64.
65.        /***********************/ // sub-demo
66.
67.        reg [1:0]D1;
68.
69.        always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
70.             if( !RESET )
71.                 D1 <= 2'b00;
72.             else if( isPress )
73.                 D1[1] <= ~D[1];
74.             else if( isRelease )
75.                 D1[0] <= ~D[0];
76.
77.        assign LED = D1;
78.
79.    endmodule

以上内容为演示用的周边操作，它根据 isPress 还有 isRelease 的高脉冲，分别翻转 D1[1] 还有 D1[0]的内容。至于第77行则是输出驱动的声明，D1驱动LED输出端。编译完后便下载程序。

我们会发现第一次按下 <KEY2> 会点亮 LED[1]，释放<KEY2>会点亮 LED[0]。第二次按下 <KEY2> 会消灭 LED[1]，释放 <KEY2> 则会消灭 LED[0]。如此一来，实验二已经成功。实验二未结束之前，让笔者分析一下实验二的诺干细节:

细节一：过分消抖

图2.6 过分消抖（过分延迟）。

结果如图2.6所示，假设笔者手痒将消抖时间拉长至1s，Verilog语言则可以这样表示，如代码2.4所示：

    3:
    if( C1 == T1S -1 ) begin C1 <= 19'd0; i <= i + 1'b1; end
    else C1 <= C1 + 1'b1;

代码2.4

一般消抖期间，按键功能模块的核心操作就会停留在消抖（延迟）步骤，如果消抖期间笔者释放按键，那么释放事件会被无视，然后核心操作会被打乱，最后整个功能模块会跑飞。反之，如果笔者等待消抖完毕再释放按键，那么释放事件会照常发生，整个功能模块也会照常运作。

细节二：精密控时

1: // H2L debounce
if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 19'd0; i <= i + 1'b1; end
else C1 <= C1 + 1'b1;
2: // Key trigger prees up
begin isPress <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
3: // Key trigger prees down
begin isPress <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end

 

代码2.5

根据按键功能模块，核心操作执行消抖之后都会产生有效按键，亦即为立旗寄存器
（isPress 或者 isRelease）拉高又拉低一个时钟，如代码 2.5 所示。如果笔者是一位精
密控时的狂人，这段拉高又拉低的时钟消耗，笔者也会将其考虑进去消抖时间。为此，
笔者可以这样修改，如代码 2.6 所示：

1: // H2L debounce
if( C1 == T10MS -1 -2 ) begin C1 <= 19'd0; i <= i + 1'b1; end
else C1 <= C1 + 1'b1;
2: // Key trigger prees up
begin isPress <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
3: // Key trigger prees down
begin isPress <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end

代码2.6

代码2.6相较代码2.6，消抖步骤部分的if判断内多了 -2，其中 -2表示产生按键有效所消耗的时钟。

细节三：完整的个体模块

图2.7 完整的按键功能模块。

图2.6是演示用的建模图，然而图2.7则是完整的建模图，其中按键功能模块有一个 KEY输入端，主要连接按键资源。此外，按键功能模块也有一组两位的沟通信号Trig，亦即按下Trig[1]产生一个高脉冲，释放Trig[0]产生一个高脉冲。

key_funcmod.v

1. module key_funcmod
2. (   
3.     input CLOCK, RESET,
4.     input KEY,
5.     output [1:0]oTrig
6. );
7.     parameter T10MS = 19'd500_000;
8.
9.     /***************************/ //sub
10.
11.     reg F2,F1;
12.
13.     always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
14.         if( !RESET )
15.             { F2, F1 } <= 2'b11;
16.         else
17.             { F2, F1 } <= { F1, KEY };
18.
19.    /***************************/ //core
20.
21.    wire isH2L = ( F2 == 1 && F1 == 0 );
22.    wire isL2H = ( F2 == 0 && F1 == 1 );
23.    reg [3:0]i;
24.    reg isPress, isRelease;
25.    reg [18:0]C1;
26.
27.     always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
28.         if( !RESET )
29.             begin
30.                 i <= 4'd0;
31.                 { isPress,isRelease } <= 2'b00;
32.                 C1 <= 19'd0;
33.             end
34.         else
35.             case(i)
36.
37.                 0: // H2L check
38.                 if( isH2L ) i <= i + 1'b1;
39.
40.                 1: // H2L debounce
41.                 if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 19'd0; i <= i + 1'b1; end
42.                 else C1 <= C1 + 1'b1;
43.
44.                 2: // Key trigger prees up
45.                 begin isPress <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
46.
47.                 3: // Key trigger prees down
48.                 begin isPress <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end
49.
50.                 4: // L2H check
51.                 if( isL2H ) i <= i + 1'b1;
52.
53.                 5: // L2H debounce
54.                 if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 19'd0; i <= i + 1'b1; end
55.                 else C1 <= C1 + 1'b1;
56.
57.                 6: // Key trigger prees up
58.                 begin isRelease <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
59.
60.                 7: // Key trigger prees down
61.                 begin isRelease <= 1'b0; i <= 4’d0; end
62.
63.         endcase
64.
65.         /********************************/
66.
67. assign oTrig = { isPress, isRelease };
68.       
69. endmodule

最后别向笔者要仿真了，因为按键消抖没有仿真的意义，单是代码已经足够脑补时序了。