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小梅哥和你一起深入学习FPGA之独立按键检测(上)

2017-1-10 11:45 383 0

几乎没有哪一个系统没有输入输出设备,大到显示器,小到led灯,轻触按键。作为一个系统,要想稳定的工作,输入输出设备的性能占了很重要的角色。本实验,小梅哥就通过一个独立按键的检测实验,来正式步入基本外设驱动开发的大门。


一、 实验目的


实现4个独立按键的抖动检测实验,并通过4个独立按键控制4个led灯亮灭状态的翻转。


二、 实验原理


实际系统中常用的按键大部分都是轻触式按键,如图2-1所示。该按键内部由一个弹簧片和两个固定触点组成,当弹簧片被按下,则两个固定触点接通,按键闭合。弹簧片松开,两个触点断开,按键也就断开了。根据这种按键的机械特性,在按键按下时,会先有一段时间的不稳定期,在这期间,两个触点时而接通,时而断开,我们称之为抖动,当按键大约按下20ms后,两个触点才能处于稳定的闭合状态,按键松开时和闭合时情况类似。而我们的FPGA工作在很高的频率,按键接通或断开时任何一点小的抖动都能轻易的捕捉到,如果不加区分的将每一次闭合或断开都当做一次按键事件,那么势必一次按键动作会被FPGA识别为很多次按键操作,从而导致系统工作稳定性下降。


图2-1 轻触按键实物图


一次按键动作的大致波形如下图所示:


因此,我们所需要做的工作,就是滤除按键按下和释放时各存在的20ms的不稳定波形


三、 硬件设计


独立按键属于一种输入设备,其与FPGA连接的IO口被接上了10K的上拉电阻,在按键没有按下时,FPGA会检测到高电平;当按键按下后,FPGA的IO口上则将呈现低电平。因此,按键检测的实质就是读取FPGA的IO上的电平。


图3-1 独立按键典型电路


四、??????? 架构设计


本实验由总共四个模块组成,分别为LED驱动模块、独立按键检测模块、控制模块和顶层模块,其架构如下:


以下为按键抖动检测的代码,采用状态机的方式编写,总共有两个状态,按下消抖为状态0,释放消抖为状态1。具体的消抖流程代码中的注释已经写的比较清楚,但如果全部用文字解释出来还是有一定的复杂性。这也是实地讲解和网上文档的一点点差距吧,希望我后期的视频里面能讲清楚。其实抖动消除的核心思路就是对按键状态的变化进行计时,若两次电平变化之间时间小于20ms,则视为抖动,若低电平稳定时间超过20ms,则表明检测到了稳定的按键状态。释放时的消抖过程与按下时的消抖过程类似。


以下是代码片段:


module normal_keys_detect #(parameter KEY_WIDTH = 4)

(Clk,Rst_n,Key_in,Key_Flag,Key_Value);


input Clk;

input Rst_n;

input [KEY_WIDTH-1:0]Key_in;


output reg Key_Flag;

output reg[KEY_WIDTH-1:0]Key_Value;


reg [KEY_WIDTH-1:0]key_tmp,key_tmp1;

reg [19:0]cnt1;

reg state;


wire level_change;/按键状态变化标志信号/


localparam cnt1_TOP = 1_000_000;


/-------存储按键状态的上一个状态---------------/

always @ (posedge Clk or negedge Rst_n)

begin

if(!Rst_n)

begin

key_tmp <= 'd0;

key_tmp1 <= 'd0;

end

else

begin

key_tmp <= Key_in;

key_tmp1 <= key_tmp;

end

end


/---通过比较按键上一个状态和此时刻状态来获知按键状态是否改变---/

assign level_change = (key_tmp == key_tmp1)?1'b0:1'b1;


always @ (posedge Clk or negedge Rst_n)

if(!Rst_n)

begin?

cnt1 <= 20'd0;

state <= 1'b0;

Key_Value <= 4'b0000;

Key_Flag <= 1'b0;

end

else

begin

case(state)

0:/按下检测/

//没有电平变化,且按键输入状态不全为1

if(!level_change & key_tmp1 != {KEY_WIDTH{1'b1}})

begin

if(cnt1 == cnt1_TOP)/计数满消抖所需时间/

begin

Key_Value <= ~Key_in;

Key_Flag <= 1;

cnt1 <= 0;

state <= 1;

end

else

cnt1 <= cnt1 + 1'b1;

end

else

begin

cnt1 <= 0;

Key_Flag <= 0;

state <= 0;

end


1:/释放检测/

begin

Key_Flag <= 0;

/没有电平变化,且按键输入状态全为1/

if(!level_change & key_tmp1 == {KEY_WIDTH{1'b1}})

begin

if(cnt1 == cnt1_TOP)/计数满消抖所需时间/

begin

cnt1 <= 0;

state <= 0;

end

else

cnt1 <= cnt1 + 1'b1;

end

else

begin

cnt1 <= 0;

state <= 1;

end

end

endcase

end


endmodule


七、测试平台设计


本实验主要对按键检测的结果进行观察和分析,通过仿真,验证设计的正确性和合理性。按键消抖模块的testbench的代码如下:


以下是代码片段:


`timescale 1ns/1ns


module normal_keys_detect_tb;


reg Clk;

reg Rst_n;

reg [3:0]Key_in;


wire Key_Flag;

wire [3:0]Key_Value;


normal_keys_detect


(


.KEY_WIDTH(4)

)

normal_keys_detect_inst1(

.Clk(Clk),

.Rst_n(Rst_n),

.Key_in(Key_in),

.Key_Flag(Key_Flag),

.Key_Value(Key_Value)

);


initial begin

Clk = 1;

Rst_n = 0;

Key_in = 4'b1111;


100;


Rst_n = 1;

press_key(0);


30000000;


press_key(1);


30000000;


press_key(2);


30000000;


press_key(3);


30000000;


$stop;

end


always #10 Clk = ~Clk;


task press_key;

input [1:0]Key;

begin

Key_in = 4'b1111;


/按下抖动/


100 Key_in[Key] = 0;


200 Key_in[Key] = 1;


300 Key_in[Key] = 0;


400 Key_in[Key] = 1;


500 Key_in[Key] = 0;


600 Key_in[Key] = 1;


700 Key_in[Key] = 0;


800 Key_in[Key] = 1;


900 Key_in[Key] = 0;


/稳定期/


22000000;


/释放抖动/


100 Key_in[Key] = 1;


200 Key_in[Key] = 0;


300 Key_in[Key] = 1;


400 Key_in[Key] = 0;


500 Key_in[Key] = 1;


600 Key_in[Key] = 0;


700 Key_in[Key] = 1;


800 Key_in[Key] = 0;


900 Key_in[Key] = 1;


end

endtask


endmodule


testben中使用了一个任务(task),该任务模拟按键抖动的过程,给按键按下和释放时增加抖动,调用时只需要输入需要按下的按键编号,该任务便可自动完成按下抖动、稳定、松开抖动的过程。


整个工程的testbench与消抖模块的testbench一样,只需要在例化部分将消抖模块替换为顶层模块即可,同时将每个按键的任务由一次调用该为两次调用即可,详细代码如下:


以下是代码片段:


`timescale 1ns/1ns


module top_tb;


reg Clk;

reg Rst_n;

reg [3:0]Key_in;


wire [3:0]Led;


top top_inst(

.Clk(Clk),

.Rst_n(Rst_n),

.Key_in(Key_in),

.Led(Led)

);


initial begin

Clk = 1;

Rst_n = 0;

Key_in = 4'b1111;


100;


Rst_n = 1;

press_key(0);


30000000;


press_key(0);


30000000;


press_key(1);


30000000;


press_key(1);


30000000;


press_key(2);


30000000;


press_key(2);


30000000;


press_key(3);


30000000;


press_key(3);


30000000;


$stop;

end


always #10 Clk = ~Clk;


task press_key;

input [1:0]Key;

begin

Key_in = 4'b1111;


/按下抖动/


100 Key_in[Key] = 0;


200 Key_in[Key] = 1;


300 Key_in[Key] = 0;


400 Key_in[Key] = 1;


500 Key_in[Key] = 0;


600 Key_in[Key] = 1;


700 Key_in[Key] = 0;


800 Key_in[Key] = 1;


900 Key_in[Key] = 0;


/稳定期/


22000000;


/释放抖动/


100 Key_in[Key] = 1;


200 Key_in[Key] = 0;


300 Key_in[Key] = 1;


400 Key_in[Key] = 0;


500 Key_in[Key] = 1;


600 Key_in[Key] = 0;


700 Key_in[Key] = 1;


800 Key_in[Key] = 0;


900 Key_in[Key] = 1;


end

endtask


endmodule


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