基于FPGA的按键消抖

一、按键消抖原理

按键抖动：按键抖动通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，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地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。当按下一次按键，可能在A点检测到一次低电平，在B点检测到一次高电平，在C点又检测到一次低电平。同时抖动是随机，不可测的。那么按下一次按键，抖动可能会误以为按下多次按键。

按键原理图：

在这里插入图片描述

按键默认为低电平有效，高电平无效

1.按键消抖目的：消除按键抖动对我们程序的影响。

2.按键消抖解决方案1：延迟采样。延迟一定时间取样，去除没有抖动时的稳定值

延迟采样1

3.按键消抖解决方案2：信号变化频率平稳后并且持续20ms则采样。

延迟采样2

这里我们采用第二种方式，第二种方式相对于第一种方式更加稳定，效果也会更好。

二、按键消抖代码

key_debounce.v

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// Copyright (c) 2014-2023 All rights reserved
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// Author : 辣子鸡味的橘子，331197689@qq.com
// File   : key_debounce.v
// Create : 2023-07-14 10:36:44
// Revise : 2023-07-14 10:36:44
// Editor : sublime text4, tab size (4)
// -----------------------------------------------------------------------------
module key_debounce(
    input wire clk,
    input wire rst_n,
    input wire[3:0] key_in,//四个按键信号输入

    output reg[3:0] key_out//四个按键信号消抖输出
);

parameter TIME_20MS = 1000_000;
reg[19:0] cnt;//20ms计数器
wire add_cnt;//计数开始
wire ent_cnt;//计数终止
wire nedge;//下降沿检测

reg[3:0] key_in_r0;//同步key_in输入信号
reg[3:0] key_in_r1;//延迟一个周期
reg[3:0] key_in_r2;//延迟两个周期

reg flag;//消抖开始标志信号

//计数器模块，当addent满足时开始计数,检测到下降沿重新计数，end_ent满足时停止计数，消抖完成
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(~rst_n) begin
       cnt<=20'd0;
    end
    else if(add_cnt)begin
        if(ent_cnt)begin
            cnt<=20'd0;
        end
        else if(nedge)begin
            cnt<=20'd0;
        end
        else begin
            cnt<=cnt+1;
        end
    end
    else begin
        cnt<=cnt;
    end
end

assign add_cnt = flag;//计数开始条件
assign end_cnt = (cnt == TIME_20MS - 1)&&add_cnt;//终止结束条件，当满足计时到20ms，且满足计时条件时成立

//信号延时模块
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(~rst_n) begin
        key_in_r0<=4'b1111;
        key_in_r1<=4'b1111;
        key_in_r2<=4'b1111;
    end
    else begin
        key_in_r0<=key_in;
        key_in_r1<=key_in_r0;
        key_in_r2<=key_in_r1;
    end
end

//检测下降沿，当任意一个按键出现下降沿都会被检测到
assign nedge = (~key_in_r1[0]&key_in_r2[0])||(~key_in_r1[1]&key_in_r2[1])||(~key_in_r1[2]&key_in_r2[2])||(~key_in_r1[3]&key_in_r2[3]);

//消抖开始模块
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(~rst_n) begin
       flag<=1'b0;
    end
    else if(nedge)begin//当出现下降沿开始消抖
        flag<=1'b1;
    end
    else if(end_cnt)begin//当end_cnt满足时停止消抖
        flag<=1'b0;
    end
    else begin
        flag<=flag;
    end
end

//输出信号赋值模块,当消抖完毕标志按键按下，出现一个脉冲信号表示按键按下
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(~rst_n) begin
       key_out<=4'b1111;//默认为高电平
    end
    else if(end_cnt)begin
        key_out<=key_in;//稳定信号赋值
    end
    else begin
       key_out<=4'b1111;//其他信号默认为高电平
    end
end

endmodule

三、仿真代码编写

`timescale 1ns/1ns
module key_debounce_tb();
reg clk;
reg rst_n;
reg[3:0] key;

wire[3:0] key_r;
parameter SYS_CLK = 20;
parameter TIME = 100;
always #(SYS_CLK/2) clk = ~clk;
initial begin
	clk=1'b0;
	rst_n=1'b0;
	#(2*SYS_CLK);
	rst_n=1'b1;
	key = 4'b1111;
	#(2*SYS_CLK+10);
    repeat (39) begin
   		key[0] = ~key[0];
   		#(2*SYS_CLK);
	end
	key[0] = 1'b0;
	#(1100*SYS_CLK);
	$stop;
end
key_debounce #(
		.TIME_20MS(TIME)
	) inst_key_debounce (
		.clk     (clk),
		.rst_n   (rst_n),
		.key_in  (key),
		.key_out (key_r)
	);

endmodule

仿真时序图：

在这里插入图片描述