深入而全面：FPGA學習之獨立按鍵檢測

　　幾乎沒有哪一個系統(tǒng)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(tǒng)，要想穩(wěn)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(fā)的大門。

　　一、 實驗目的

　　實現(xiàn)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(tài)的翻轉。

　　二、 實驗原理

　　實際系統(tǒng)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(jù)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(wěn)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(wěn)定的閉合狀態(tài)，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(qū)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(tǒng)工作穩(wěn)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(wěn)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，F(xiàn)PGA會檢測到高電平；當按鍵按下后，F(xiàn)PGA的IO口上則將呈現(xiàn)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：

　　圖4-1 led實驗模塊組織結構圖

　　由圖可知本實驗有n個輸出端口，對應驅動了n個led燈。n+2個輸入端口，對應了n個按鍵輸入和一個時鐘輸入以及一個復位輸入。詳細端口名及其意義如下

　　表4-1 獨立按鍵檢測實驗端口說明

　　因為存在模塊間的連接，因此有部分內部信號，下表為內部信號的名稱和功能說明

　　表4-2 獨立按鍵檢測實驗內部信號說明

　　五、 代碼組織方式

　　本實驗中，按鍵檢測部分用到了狀態(tài)機，該狀態(tài)機包括兩個狀態(tài)：按下消抖狀態(tài)和釋放消抖狀態(tài)，詳細內容將在關鍵代碼中進行講解，此處不做細致討論。

　　實驗中還設計了一個控制器，該控制器主要進行按鍵事件與LED燈狀態(tài)的控制，通過讀取按鍵值，并根據(jù)按鍵信息翻轉對應的LED的亮滅狀態(tài)。這部分內容由于篇幅原因，不在文檔中寫出，請直接參看附件源代碼即可。

　　LED的驅動采用實驗一的模塊，因此這里不進行過多的分析介紹。

　　六、 關鍵代碼解讀

　　以下為按鍵電平變化的檢測代碼，通過存儲前一次時鐘上升沿時的按鍵狀態(tài)和當前時鐘上升沿時的按鍵狀態(tài)，并比較兩次狀態(tài)是否相同，即可獲知是否有按鍵按下。

　　以下為按鍵抖動檢測的代碼，采用狀態(tài)機的方式編寫，總共有兩個狀態(tài)，按下消抖為狀態(tài)0，釋放消抖為狀態(tài)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(tài)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(wěn)定時間超過20ms，則表明檢測到了穩(wěn)定的按鍵狀態(tài)。釋放時的消抖過程與按下時的消抖過程類似。

　　七、測試平臺設計

　　本實驗主要對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：

　　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(wěn)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，同時將每個按鍵的任務由一次調用該為兩次調用即可，詳細請參考附件代碼。

　　八、 仿真分析

　　由上圖仿真結果可知，當有按鍵按下時，需要較長一段時間后，Key_Flag會有一個高電平脈沖，同時Key_Value更新為輸入按鍵的反碼。

　　為了確定消抖是成功的，這里再附上按鍵松開時的抖動細節(jié)圖：

　　由圖可知，松開按鍵時，該按鍵IO不斷的檢測到高電平和低電平，直到一段時間和，抖動方停止，穩(wěn)定為按鍵沒有按下時的狀態(tài)

　　下圖為整個工程的仿真結果，由圖可知，每按下一次按鍵0（key_in［0］），led［0］的狀態(tài)便翻轉一次。

　　九、 下板驗證

　　手頭暫無開發(fā)板，板級驗證略。

　　十、 總結

　　本文檔對按鍵消抖的原理進行了分析，并對消抖核心模塊的設計進行了仿真，通過modelsim仿真驗證了消抖模塊設計的正確性。

　　具體的控制模塊這里因為篇幅和時間關系暫不介紹，也因為沒有開發(fā)板，暫時無法錄制演示視頻，等錄制視頻時，我會對整個系統(tǒng)的架構設計，代碼設計進行詳細的分析和講解。以前沒有做過不知道，寫了兩三次后才發(fā)現(xiàn)，原來文檔的編寫和整理比編寫代碼要的時間要多的多。不過，我總還是會堅持做下去的，希望我能有足夠的時間來做這些事。