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幾乎沒有哪一個系統沒有輸入輸出設備，大到顯示器，小到led燈，輕觸按鍵。作為一個系統，要想穩定的工作，輸入輸出設備的性能占了很重要的角色。本實驗，小梅哥就通過一個獨立按鍵的檢測實驗，來正式步入基本外設驅動開發的大門。 一、 實驗目的 實現4個獨立按鍵的抖動檢測實驗，并通過4個獨立按鍵控制4個led燈亮滅狀態的翻轉。 二、 實驗原理 實際系統中常用的按鍵大部分都是輕觸式按鍵，如圖2-1所示。該按鍵內部由一個彈簧片和兩個固定觸點組成，當彈簧片被按下，則兩個固定觸點接通，按鍵閉合。彈簧片松開，兩個觸點斷開，按鍵也就斷開了。根據這種按鍵的機械特性，在按鍵按下時，會先有一段時間的不穩定期，在這期間，兩個觸點時而接通，時而斷開，我們稱之為抖動，當按鍵大約按下20ms后，兩個觸點才能處于穩定的閉合狀態，按鍵松開時和閉合時情況類似。而我們的FPGA工作在很高的頻率，按鍵接通或斷開時任何一點小的抖動都能輕易的捕捉到，如果不加區分的將每一次閉合或斷開都當做一次按鍵事件，那么勢必一次按鍵動作會被FPGA識別為很多次按鍵操作，從而導致系統工作穩定性下降。 圖2-1 輕觸按鍵實物圖 一次按鍵動作的大致波形如下圖所示： 因此，我們所需要做的工作，就是濾除按鍵按下和釋放時各存在的20ms的不穩定波形 三、 硬件設計 獨立按鍵屬于一種輸入設備，其與FPGA連接的IO口被接上了10K的上拉電阻，在按鍵沒有按下時，FPGA會檢測到高電平;當按鍵按下后，FPGA的IO口上則將呈現低電平。因此，按鍵檢測的實質就是讀取FPGA的IO上的電平。 圖3-1 獨立按鍵典型電路 四、 架構設計 本實驗由總共四個模塊組成，分別為LED驅動模塊、獨立按鍵檢測模塊、控制模塊和頂層模塊，其架構如下： 以下為按鍵抖動檢測的代碼，采用狀態機的方式編寫，總共有兩個狀態，按下消抖為狀態0，釋放消抖為狀態1。具體的消抖流程代碼中的注釋已經寫的比較清楚，但如果全部用文字解釋出來還是有一定的復雜性。這也是實地講解和網上文檔的一點點差距吧，希望我后期的視頻里面能講清楚。其實抖動消除的核心思路就是對按鍵狀態的變化進行計時，若兩次電平變化之間時間小于20ms，則視為抖動，若低電平穩定時間超過20ms，則表明檢測到了穩定的按鍵狀態。釋放時的消抖過程與按下時的消抖過程類似。 以下是代碼片段： 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; /*按鍵狀態變化標志信號*/ localparam cnt1_TOP = 1_000_000; /*-------存儲按鍵狀態的上一個狀態---------------*/ always @ (posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) begin key_tmp 按鍵檢測的結果進行觀察和分析，通過仿真，驗證設計的正確性和合理性。按鍵消抖模塊的testbench的代碼如下： 以下是代碼片段： `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; /*按下抖動*/ #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; /*穩定期*/ #22000000; /*釋放抖動*/ #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中使用了一個任務(task)，該任務模擬按鍵抖動的過程，給按鍵按下和釋放時增加抖動，調用時只需要輸入需要按下的按鍵編號，該任務便可自動完成按下抖動、穩定、松開抖動的過程。 整個工程的testbench與消抖模塊的testbench一樣，只需要在例化部分將消抖模塊替換為頂層模塊即可，同時將每個按鍵的任務由一次調用該為兩次調用即可，詳細代碼如下： 以下是代碼片段： `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; /*按下抖動*/ #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; /*穩定期*/ #22000000; /*釋放抖動*/ #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 |
