深入而全面：FPGA學(xué)習(xí)之獨(dú)立按鍵檢測(cè)

　　幾乎沒(méi)有哪一個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有輸入輸出設(shè)備，大到顯示器，小到led燈，輕觸按鍵。作為一個(gè)系統(tǒng)，要想穩(wěn)定的工作，輸入輸出設(shè)備的性能占了很重要的角色。本實(shí)驗(yàn)，小梅哥就通過(guò)一個(gè)獨(dú)立按鍵的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，來(lái)正式步入基本外設(shè)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的大門。

　　一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>

　　實(shí)現(xiàn)4個(gè)獨(dú)立按鍵的抖動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)4個(gè)獨(dú)立按鍵控制4個(gè)led燈亮滅狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。

　　二、 實(shí)驗(yàn)原理

　　實(shí)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(nèi)部由一個(gè)彈簧片和兩個(gè)固定觸點(diǎn)組成，當(dāng)彈簧片被按下，則兩個(gè)固定觸點(diǎn)接通，按鍵閉合。彈簧片松開(kāi)，兩個(gè)觸點(diǎn)斷開(kāi)，按鍵也就斷開(kāi)了。根據(jù)這種按鍵的機(jī)械特性，在按鍵按下時(shí)，會(huì)先有一段時(shí)間的不穩(wěn)定期，在這期間，兩個(gè)觸點(diǎn)時(shí)而接通，時(shí)而斷開(kāi)，我們稱之為抖動(dòng)，當(dāng)按鍵大約按下20ms后，兩個(gè)觸點(diǎn)才能處于穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，按鍵松開(kāi)時(shí)和閉合時(shí)情況類似。而我們的FPGA工作在很高的頻率，按鍵接通或斷開(kāi)時(shí)任何一點(diǎn)小的抖動(dòng)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(kāi)都當(dāng)做一次按鍵事件，那么勢(shì)必一次按鍵動(dòng)作會(huì)被FPGA識(shí)別為很多次按鍵操作，從而導(dǎo)致系統(tǒng)工作穩(wěn)定性下降。

　　圖2-1 輕觸按鍵實(shí)物圖

　　一次按鍵動(dòng)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(shí)各存在的20ms的不穩(wěn)定波形

　　三、 硬件設(shè)計(jì)

　　獨(dú)立按鍵屬于一種輸入設(shè)備，其與FPGA連接的IO口被接上了10K的上拉電阻，在按鍵沒(méi)有按下時(shí)，F(xiàn)PGA會(huì)檢測(cè)到高電平；當(dāng)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(cè)的實(shí)質(zhì)就是讀取FPGA的IO上的電平。

　　圖3-1 獨(dú)立按鍵典型電路

　　四、 架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本實(shí)驗(yàn)由總共四個(gè)模塊組成，分別為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)模塊、獨(dú)立按鍵檢測(cè)模塊、控制模塊和頂層模塊，其架構(gòu)如下：

　　圖4-1 led實(shí)驗(yàn)?zāi)K組織結(jié)構(gòu)圖

　　由圖可知本實(shí)驗(yàn)有n個(gè)輸出端口，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)了n個(gè)led燈。n+2個(gè)輸入端口，對(duì)應(yīng)了n個(gè)按鍵輸入和一個(gè)時(shí)鐘輸入以及一個(gè)復(fù)位輸入。詳細(xì)端口名及其意義如下

　　表4-1 獨(dú)立按鍵檢測(cè)實(shí)驗(yàn)端口說(shuō)明

　　因?yàn)榇嬖谀K間的連接，因此有部分內(nèi)部信號(hào)，下表為內(nèi)部信號(hào)的名稱和功能說(shuō)明

　　表4-2 獨(dú)立按鍵檢測(cè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)部信號(hào)說(shuō)明

　　五、 代碼組織方式

　　本實(shí)驗(yàn)中，按鍵檢測(cè)部分用到了狀態(tài)機(jī)，該狀態(tài)機(jī)包括兩個(gè)狀態(tài)：按下消抖狀態(tài)和釋放消抖狀態(tài)，詳細(xì)內(nèi)容將在關(guān)鍵代碼中進(jìn)行講解，此處不做細(xì)致討論。

　　實(shí)驗(yàn)中還設(shè)計(jì)了一個(gè)控制器，該控制器主要進(jìn)行按鍵事件與LED燈狀態(tài)的控制，通過(guò)讀取按鍵值，并根據(jù)按鍵信息翻轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的LED的亮滅狀態(tài)。這部分內(nèi)容由于篇幅原因，不在文檔中寫出，請(qǐng)直接參看附件源代碼即可。

　　LED的驅(qū)動(dòng)采用實(shí)驗(yàn)一的模塊，因此這里不進(jìn)行過(guò)多的分析介紹。

　　六、 關(guān)鍵代碼解讀

　　以下為按鍵電平變化的檢測(cè)代碼，通過(guò)存儲(chǔ)前一次時(shí)鐘上升沿時(shí)的按鍵狀態(tài)和當(dāng)前時(shí)鐘上升沿時(shí)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(dòng)檢測(cè)的代碼，采用狀態(tài)機(jī)的方式編寫，總共有兩個(gè)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(jīng)寫的比較清楚，但如果全部用文字解釋出來(lái)還是有一定的復(fù)雜性。這也是實(shí)地講解和網(wǎng)上文檔的一點(diǎn)點(diǎn)差距吧，希望我后期的視頻里面能講清楚。其實(shí)抖動(dòng)消除的核心思路就是對(duì)按鍵狀態(tài)的變化進(jìn)行計(jì)時(shí)，若兩次電平變化之間時(shí)間小于20ms，則視為抖動(dòng)，若低電平穩(wěn)定時(shí)間超過(guò)20ms，則表明檢測(cè)到了穩(wěn)定的按鍵狀態(tài)。釋放時(shí)的消抖過(guò)程與按下時(shí)的消抖過(guò)程類似。

　　七、測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)按鍵檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行觀察和分析，通過(guò)仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(gè)任務(wù)（task），該任務(wù)模擬按鍵抖動(dòng)的過(guò)程，給按鍵按下和釋放時(shí)增加抖動(dòng)，調(diào)用時(shí)只需要輸入需要按下的按鍵編號(hào)，該任務(wù)便可自動(dòng)完成按下抖動(dòng)、穩(wěn)定、松開(kāi)抖動(dòng)的過(guò)程。

　　整個(gè)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(shí)將每個(gè)按鍵的任務(wù)由一次調(diào)用該為兩次調(diào)用即可，詳細(xì)請(qǐng)參考附件代碼。

　　八、 仿真分析

　　由上圖仿真結(jié)果可知，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，需要較長(zhǎng)一段時(shí)間后，Key_Flag會(huì)有一個(gè)高電平脈沖，同時(shí)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(kāi)時(shí)的抖動(dòng)細(xì)節(jié)圖：

　　由圖可知，松開(kāi)按鍵時(shí)，該按鍵IO不斷的檢測(cè)到高電平和低電平，直到一段時(shí)間和，抖動(dòng)方停止，穩(wěn)定為按鍵沒(méi)有按下時(shí)的狀態(tài)

　　下圖為整個(gè)工程的仿真結(jié)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(zhuǎn)一次。

　　九、 下板驗(yàn)證

　　手頭暫無(wú)開(kāi)發(fā)板，板級(jí)驗(yàn)證略。

　　十、 總結(jié)

　　本文檔對(duì)按鍵消抖的原理進(jìn)行了分析，并對(duì)消抖核心模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真，通過(guò)modelsim仿真驗(yàn)證了消抖模塊設(shè)計(jì)的正確性。

　　具體的控制模塊這里因?yàn)槠蜁r(shí)間關(guān)系暫不介紹，也因?yàn)闆](méi)有開(kāi)發(fā)板，暫時(shí)無(wú)法錄制演示視頻，等錄制視頻時(shí)，我會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，代碼設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的分析和講解。以前沒(méi)有做過(guò)不知道，寫了兩三次后才發(fā)現(xiàn)，原來(lái)文檔的編寫和整理比編寫代碼要的時(shí)間要多的多。不過(guò)，我總還是會(huì)堅(jiān)持做下去的，希望我能有足夠的時(shí)間來(lái)做這些事。