文章简介

本系列文章主要针对FPGA初学者编写，包括FPGA的模块书写、基础语法、状态机、RAM、UART、SPI、VGA、以及功能验证等。将每一个知识点作为一个章节进行讲解，旨在更快速的提升初学者在FPGA开发方面的能力，每一个章节中都有针对性的代码书写以及代码的讲解，可作为读者参考。

第十一章：按键消抖

之前的章节讲解了呼吸灯、状态机、top-down 设计，本章将这些知识点进行串联起来，设计要求如下：

        ①在开发板上完成自动售货机的实验，投币的动作通过按键实现，当按1次按键（按下到抬起算一次），算作投币1次； 

        ②按下一次按键，led 灯亮一个，按下两次按键后，led 灯亮两个，当按三次按键后，用呼吸灯充当出可乐的效果，呼吸灯持续十秒后熄灭，状态回到初始状态。 

        根据上面的要求，先画出对应的状态转移图如图 1 所示。

图 1 状态转移图

        根据图 1 所示的状态转移图可以描述出该状态机，IDLE 状态、ONE 状 态、TWO 状态、THREE 状态的跳转条件均是 key（按键），THREE 状态进入 IDLE 状态的条件为十秒钟结束。在 IDLE 状态 led 灯全灭，ONE 状态 led 灯亮一个， TWO 状态 led 灯亮两个，THREE 状态 led 灯进入呼吸状态。

        一般情况下，我们从按下按键到松开基本需要大于几十毫秒的时间，系统时钟的周期处于纳秒级，因此我们按下一次按键会被大于十万个时钟的上升沿采集到，然而我们希望的是按下一次按键只被一次上升沿采集到，不然会被认为按了多次按键，所以我们需要对我们的按键进行处理。假设按键在没被按下时为高电平，被按下时处于低电平，如图 2 所示的波形图。

图 2 按键波形图

        由图 2 分析可知在 key 被按下时有且仅有一个 key 的上升沿和一个 key 的下降沿，我们可以通过检测 key 的上升沿或者下降沿来确定按键被按下一次， 这就涉及到边缘检测，具体方法如图 3 所示，可以用 clk 的上升沿将 key 延时一 个周期产生 key_reg，通过 key 和 key_reg 的值同时判断 key 的上升沿或下降 沿。由图 3 可知，当用 clk 的上升沿检测到 key 等于 1 的同时 key_reg 等于 0， 此时则为 key 的上升沿，若 key 等于 0 的同时 key_reg 等于 1 则为 key 的下降 沿。

图 3 边缘检测

        由图 3 可知根据 key 的上升沿或下降沿可确定按键按了一次，然而事实却不允许我们这么做。图 4 给出了一个按键的模型，当不按下按键 s 时，a、b 两点 是断开的，按下按键 s 时线路才接通，然而当按下按键时，会存在物理上的抖动现象，此时 a、b 两点会在断开和接通之间反复的一段时间，就会出现图 5 所 示的抖动、稳定的波形。

图 4 按键模型

图 5 按键抖动

        图 5 所示前抖动为按下时产生的抖动，后抖动为按键松开时造成的抖动， 前、后抖动持续时间一般均为 5~10ms，在有抖动的情况下，key 会被 clk 上升沿采集到很多的上升沿和下降沿，因此用 key 的上升沿和下降沿判断按键一次就不成立了，我们需要寻找新的方法。

        我们知道按键被按下时 key 值为低电平（0），在抖动期间 key 既有高电平也有低电平，我们可以使用 clk 的上升沿计算 key 连续为低电平的时间，期间当检 测到 key 为高电平时，则从头开始计数，当计数超过 5~10ms 时，我们可以认定按键有被按下的时候，此时我们可以产生一个 clk 周期为高电平的标志，当该标 志位高电平认为有一次按键即可，具体波形如图 6 所示。

图 6 按键消抖波形图

        此处我们认为 key 值有连续性的 5ms 时为按键被按下，时钟周期为 50MHz， 即 20ns，可以算出 5ms 占 250000 个 clk 周期，也就是说 cnt 从 0 计数到 249999 为 5ms，当 cnt 等于 249999 时可以将 po_key_flag 拉高一个周期，由于按键时间长短无法确定，因此 cnt 有可能多次达到 249999 这个值，会造成 po_key_flag 多次被拉高，这样又会出现按下一次键被当成按下多次，所以在 图 6 中出现了 cnt_flag 变量，在遇到 cnt 等于 249999 时，cnt_flag 就会被置高，直到遇到 key 等于高电平时才会被拉低，这样我们就可以将第一个 cnt 等 于 249999 和后面的区分开，那么我们也可以用 cnt 和 cnt_flag 共同控制在一次按键中，保证 po_key_flag 有且仅有一个时钟周期的高电平。根据波形图可得到如下所示的代码。

代码示例：

代码解析：

        ①第 17 行的 always 块实现了一个计数器，当 key 键按下（值为 0）的时候开始计数，当检测到按键松开（值为 1）的时候计数器归零，这样在抖动时候，该计数器会出现计数、归零循环的一个过程，直到 key 值一直 为 0，即按键持续被按下并且抖动过程结束，计数器才会持续计数到 5ms； 

        ②第 26 行的 always 块产生一个标志，当检测到 cnt 第一次等于 5ms 的时候，该标志则被置为高电平，这样就可以将 cnt 第一次等于 5ms 和之后 的 cnt 等于 5ms 区分开，直到 key 松开（值为 1）时，该标志才被置为低电平； 

        ③第 34 行的 always 块实现产生整个按键过程中的一个时钟周期高电平的标志，当 cnt 计数到 5ms 时，为了确保只有一次的 po_key_flag 有效， 因此此处条件中不仅需要 cnt==5ms，而且需要 cnt_flag==0。至此，实现了按键的消抖处理，在此基础上就可以很好地实现最初的要求了。

在第十二章中将对Verilog HDL 中数码管进行讲解。

往期回顾

FPGA入门系列1--模块书写&电路综合

FPGA入门系列2--仿真验证

FPGA入门系列3--wire与reg

FPGA入门系列4--赋值语句

FPGA入门系列5--运算符号

FPGA入门系列6--判断语句

FPGA入门系列7--时钟分频

FPGA入门系列8--Top_Down设计

FPGA入门系列9--状态机及do文件