按键消抖

按键消抖原因

使用机械弹性开关，当机械触点闭合/断开时，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的接通，在断开时也不会马上断开。而是会在闭合/断开的瞬间伴随一连串的抖动，为避免这种现象带来的问题，需要进行按键消抖。

硬件消抖

在按键个数较少时可以使用硬件方法消除抖动。下图所示为使用RS触发器进行硬件消抖，当按键未按下时，输出为0；当按键按下时，输出为1。此时，即使按键因为弹性抖动而产生瞬时断开(抖动从B跳开)，只要按键不回到原始状态A，双稳态触发器的状态也不会改变(保持为0)，从而不产生抖动的波形。

软件消抖

原理

在按键数量较多的情况下，通常采用软件方法进行消抖。在检测到按键闭合后开始执行一个延时程序，根据抖动的时间通常为5~10ms，去产生一个20ms的延时，让前沿抖动消失后再一次检测按键的状态。如果仍保持闭合状态电平，则认定为真正有键按下。

消抖过程中的问题

1、消除机械抖动导致的毛刺影响

由于机械抖动关系，在按键按下和松开过程中会出现按键抖动现象，从而导致计数器技术时间难以确定。

 

解决方法：计数器的开始由最后一次低电平(按键信号)决定。若按键信号key_in在到达产生flag之前置高，则将前一次脉冲认为是抖动，计数器清零，在下一次key_in置低后计数器再开始计数。换言之就是：系统检测到key_in为低电平的时候开始计数，检测到高电平时计数器清零。

2、按键时间过久导致出现多个flag信号的现象

假设使用50MHz的晶振进行计算，计数器计数20ms需要计数999_999个周期，当计数器计满后习惯清零，从而导致flag信号到达999_999后产生1个时钟周期宽度的flag信号，同时计数器归零。当按键时间过久，可能导致计数器存在多个0→999_999→0状态，同时，每次到达999_999后会产生一个按键被按下的flag，从而导致出现多个flag的脉冲。

解决方法：计数器的归零由按键信号决定，当按键信号为高电平（表示按键被松开）时，计数器才从999_999归零。

同时为确保flag信号仅保持一个周期，当计数器为999_998时，产生flag信号。否则flag会一直保持高电平直到计数器归零。

 

按键消抖代码

module key_fileter #(parameter CNT_MAX=20'd999_999)(
    input        sys_clk        ,    // 系统时钟50MHz
    input        sys_rst_n    ,    // 全局复位
    input        key_in        ,    // 按键输入信号
    output    reg    key_flag        // 为1时表示消抖后检测到按键被按下，为0表示没有检测到被按下
);
    reg    [19:0]    cnt_20ms;
    // cnt_20ms:如果时钟的上升沿检测到外部按键输入的值为低电平时，开始计数
    always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
        if(!sys_rst_n)
            cnt_20ms <= 20'b0;
        else if(key_in)
            cnt_20ms <= 20'b0;
        else if(cnt_20ms==CNT_MAX && key_in)
            cnt_20ms <= cnt_20ms;
        else
            cnt_20ms <= cnt_20ms + 1'b1;
    
    // key_flag:当计数满20ms后产生按键有效标志位，且key_flag在999_999时拉高，维持一个周期的高电平
    always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
        if(!sys_rst_n)
            key_flag <= 1'b0;
        else if(cnt_20ms== CNT_MAX-1'b1)
            key_flag <= 1'b1;
        else
            key_flag <= 1'b0;
            
endmodule

按键消抖testbench

`timescale 1ns/1ns

module tb_key_filter();
    // I/O port
    reg            sys_clk;
    reg            sys_rst_n;
    reg            key_in;
    wire        key_flag;
    
    reg    [21:0]    tb_cnt;
    
    // 为缩短仿真时间，将参数化的时间值改小，但位宽定参数名的宽度
    parameter    CNT_1MS = 20'd19;
    parameter    CNT_11MS = 21'd69;
    parameter    CNT_41MS = 22'd149;
    parameter    CNT_51MS = 22'd199;
    parameter    CNT_60MS = 22'd249;
                    
    // 初始化系统时钟、复位信号和输入信号
    initial
        begin
            sys_clk     <= 1'b1;
            sys_rst_n     <= 1'b0;
            key_in         <= 1'b0;
            #20
            sys_rst_n    <= 1'b1;
        end
    
    // 定义系统时钟，50MHz
    always #10 sys_clk = ~sys_clk;
    
    // tb_cnt: 按键过程计数器，用于模拟按键抖动过程
    always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
        if(!sys_rst_n)
            tb_cnt <= 22'b0;
        else if(tb_cnt==CNT_60MS)    // 计数器计到60MS是完成一次按键从按下到释放的过程
            tb_cnt <= 22'b0;
        else
            tb_cnt <= tb_cnt + 1'b1;
            
    // key_in:产生输入随机数，模拟按键情况
    always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
        if(!sys_rst_n)
            key_in <= 1'b1;            // 按键未按下时的状态为高电平
        else if((tb_cnt>=CNT_1MS && tb_cnt<=CNT_11MS) || (tb_cnt>=CNT_41MS && tb_cnt<=CNT_51MS))
            key_in <= {$random} % 2;
        else if(tb_cnt>=CNT_11MS && tb_cnt<=CNT_41MS)
            key_in <= 1'b0;
        else
            key_in <= 1'b1;
            
    //--------------------key_filter_inst------------------------------
    key_fileter #(
    .CNT_MAX        (20'd24            )
    )
    key_fileter_inst(
        .sys_clk    (sys_clk        ),
        .sys_rst_n    (sys_rst_n        ),
        .key_in        (key_in            ),
        .key_flag    (key_flag        )
    );
    
endmodule

波形图

时钟频率为50MHz，当key_in保持24个周期的低电平时，产生一个周期的key_flag脉冲。波形图如下图所示。