基础项目基于尖峰脉冲的按键消抖程序设计讲解

Posted 2022-10-29 mengyi1989

 写在前面的话

我们通常所用的按键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，在断开时也不会马上断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了避免这种现象造成的干扰而作的措施就是按键消抖。

抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～10ms。按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒。键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保智能单元对按键的一次闭合仅作一次处理，必须消除键抖动。在按键闭合稳定时读取键的状态，并且必须判别到按键释放稳定后再作处理。按键的消抖，可用硬件或软件两种方法，梦翼师兄这里主要介绍一下软件的消除方法。

基于尖峰脉冲的按键消抖

尖峰脉冲是电路设计中非常重要的一种信号，很多层次化设计中模块间的握手信号一般都会使用尖峰脉冲，正确的应用尖峰脉冲信号，可以有效的减少系统的逻辑冗余，提高系统稳定性和执行效率。本节，我们就来学习如何利用尖峰脉冲实现按键消抖。

项目需求

用一个按键控制数码管显示，数码管显示的数值为按键的次数，每按一次按键，数码管显示的数值加一，数值从0-F循环显示。

误区排除

由于数码管在之前的章节中已经有很详细的论述，所以这里我们忽略数码管驱动部分，把注意力放在按键次数的累加模块。说到这里，很多人的脑海中可能会出现下述代码：

always @ (posedge clk or negedge rst_n)  begin     if (!rst_n)         begin             sum <= 1‘b0; //赋初值         end     else         begin             if (!key_in) //有按键按下                 sum <= sum + 1; //计数器加1             else                 sum <= sum; //计数值不变         end end

这个always块的主要意思是如果检测到按键变为低电平，则说明有按键按下，然后就开始计数累加。这是最容易想到的一种错误方式，假设我们按键按下的时间特别长，那么key_in就会一直保持为低电平，我们的sum计数值也就会因此而不断累加。这与我们每按键一次，计数值只加一的目标是不相符的，而且这种方式并不能处理电路中遇到的抖动。

那么，我们该如何是好呢？分析上述电路，我们发现计数值不断累积加的原因在于每次按键按下，key_in都会保持多个周期的低电平。那么我们是否能产生这样一个信号呢-每次按键按下，不管按键时间如何，该信号能且仅能维持一个时钟周期的高电平。如果可以产生出这样的尖峰脉冲，那么我们就可以实现每次按键，计数值加且只加一的结果。

设计思路

为了证实上述想法的可行性，接下来我们设计流程图如下：

结构说明：当检测到有按键按下时，为了消除抖动，我们启动延时计数器，如果按键保持低电平的时间足够长，那么计数值一定会满足我们设置好的延时条件，否则计数清零，等待下次按键到来。如果延时计数满足条件，说明确定有按键按下，那么我们就可以输出一个尖峰脉冲，从而控制sum累加。

 系统框架

顶层端口描述

 

端口名	端口说明
Clk	系统50MHz时钟输入
rst_n	系统低电平复位
key_in	系统外部按键输入
Sum	输出按键累加值

 

6.6.8 代码解释

 

/****************************************************            *   Engineer      :   梦翼师兄  *   QQ             :   761664056  *   The module function:按键消抖模块 *****************************************************/ 01  module pulse( 02                  //系统输入 03                  clk,//系统50MHZ时钟输入 04                  rst_n,//低电平复位信号输入 05                  key_in,//外部按键输入 06                  //系统输出 07                  sum//按键次数计数器 08               ); 09                10  //-----------------系统输入--------------------- 11  input clk;//系统50MHZ时钟输入 12  input rst_n;//低电平复位信号输入 13  input key_in;//外部按键输入 14 15  //-----------------系统输出--------------------- 16  output reg [3:0]sum;//按键次数计数器 17 18  //------------------寄存器定义------------------ 19  reg [10:0]counter;//消抖延时计数器 20  reg state;//状态寄存器 21  reg pos_flag;//尖峰脉冲寄存器 22 23  //----------按键消抖以后产生尖峰脉冲------------ 24  always@(posedge clk or negedge rst_n) 25      begin 26          if(!rst_n) 27              begin 28                  counter<=0; //消抖延时计数器清零 29                  state<=0;   //状态寄存器清零 30                  pos_flag<=0;//尖峰脉冲寄存器清零 31              end 32          else 33              begin 34                  case(state) 35                  0:begin 36                      if(counter<10)//消抖延时计数器未开始计数 37                          begin /*key_in==0，说明有按键按下*/ 38                              if(!key_in) 39                                  begin 40      /*消抖延时计数器开始计数*/       counter<=counter+1; 41                                  end 42          //key_in==1，说明按键放开，而此时计数值未满， 43          //说明刚才的“按键”是抖动                   44                              else 45                                  begin 46          /*消抖延时计数器清零*/     counter<=0; 47                                  end 48                          end 49                      else//计数值满，说明确定有按键按下 50                          begin 51                      //尖峰脉冲寄存器置为高电平   52                              pos_flag<=1; 53                              counter<=0;//消抖延时计数器清零 54                              state<=1;//跳转到下一状态 55                          end 56                  end 57                  1:begin 58                      pos_flag<=0;//尖峰脉冲寄存器置为低电平 59          //key_in==1，说明按键放开（一次按键动作完整结束）             60                      if(key_in) 61                          state<=0;//状态返回，等待下次按键到来 62                  end 63                  default:state<=0;//状态返回 64                  endcase 65              end 66      end 67  //-----------------------累计尖峰脉冲出现次数----------------------- 68  always@(posedge clk or negedge rst_n) 69      begin 70          if(!rst_n) 71              begin 72                  sum<=0;//按键计数器清零 73              end 74          else 75              begin 76                  if(pos_flag)//尖峰脉冲到来，说明按键按下 77                      sum<=sum+1;//按键计数器累加 78              end 79      end 80  endmodule

 

当检测到有按键按下时，延时计数器开始计数，在计数的这段时间如果检测到按键是放开的，我们认为是按键抖动，计数器清零，等待下一次的按键按下，如果按键一直按下并满足我们预先设置的最大计数值，我们认为是真正有按键按下，延时计数器清零，pos_flag 信号拉高，状态向下跳转。在下一个状态  pos_flag 信号拉低，如果检测到按键放开，状态跳转到上一个状态等待下一次按键按下。这样就产生了一个周期的尖峰脉冲。从第68行到结束，当检测到一个尖峰脉冲的时候，按键计数器加1。

 

编写测试代码如下：

 

/****************************************************            *   Engineer      :   梦翼师兄  *   QQ             :   761664056  *   The module function:按键消抖测试模块 *****************************************************/ 01  `timescale 1ns/1ps 02 03  module tb; 04 05  //-----------------------系统输入----------------------- 06  reg clk;//系统50MHZ时钟输入 07  reg rst_n;//低电平复位信号输入 08  reg key_in;//外部按键输入 09 10  //-----------------------系统输出----------------------- 11  wire [3:0]sum;//按键次数计数器 12 13  //-----------------------产生测试激励------------------- 14  initial 15      begin 16          clk=0; 17          rst_n=0; 18          key_in=1; 19          # 1000.1 rst_n=1; 20  //-------------------模拟按键动作-------------------   21          # 1000 key_in=0;     22          # 1000 key_in=1; 23          # 100  key_in=0;     24          # 100  key_in=1; 25          # 300  key_in=0;     26          # 300  key_in=1; 27          # 100  key_in=0;     28          # 200  key_in=1; 29          # 1000 key_in=0;     30          # 900  key_in=1; 31          # 1000 key_in=0;     32          # 800  key_in=1; 33          # 1000 key_in=0;     34          # 1000 key_in=1; 35  //----------------------------------------------         36      end 37 38  always #10 clk=~clk;//50MHZ晶振 39 40  //----------------实例化被测试模块----------------   41  pulse  pulse ( 42                  //系统输入 43                  .clk(clk),//系统50MHZ时钟输入 44                  .rst_n(rst_n),//低电平复位信号输入 45                  .key_in(key_in),//外部按键输入 46                  //系统输出 47                  .sum(sum)//按键次数计数器 48               ); 49  endmodule

 仿真分析

 

 

我们再放大标示线区域：

由上述波形可以看出，当按键按下以后，计数器首先开始计数，当计数值不满足时，计数器清零并等待下一次按键按下。当计数值满足以后，才会输出一个时钟周期的尖峰脉冲，而按键次数寄存器sum也会在尖峰脉冲的作用下开始累加。每次按键按下，只会出现一次尖峰脉冲，说明我们的设计是正确的。

注：本设计中，我们只是消除了按键按下时候的抖动，而按键放开时候的抖动我们并没有处理，梦翼师兄希望大家可以自行将改代码填充完整。