学习笔记——按键消抖与LED开关实例（FPGA）

一、独立按键

1、前言

• 首先，我们在学习单片机的时候也学过独立按键和矩阵按键，这就给我们今天的这个学习打下了基础，天下按键都一样。键盘分为两种，编码键盘和非编码键盘。
• 编码键盘：键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生键编码号或键值的称为编码键盘，如计算机键盘。
• 非编码键盘：靠软件编程来识别的称为非编码键盘。分为独立键盘和行列式键盘（矩阵键盘）

2、简介

• 独立键盘：接触式按键又称轻触开关，这里的接触指的是机械嵌入式CPU的一个GPIO口对应按键输入，这个输入值的高低状态就是键值。简单的说，这个按键控制IO口，按下为低电平，没有按下为高电平。再通俗点理解就是，一根线上有一个缺口，当按键按下时，缺口合并，为低电平导通。按键松开时，缺口打开，高电平断开。如下图所示：
  
  
• 由上图可以看出来，实物图中的按键有四个引脚，结合下图对照上图进行想象。1、2、3、4分别对应四个引脚。其中橙色的线表示按键未被按下的状态，为初始状态，它是不导通的；而绿色的线是永久导通的。其实就是两个相同的结构连接在了一起，我们只要将想要的按键开关的作用线路分别接着1，3或者2，4的任意取一个的组合，概括起来就是（1、2）、（1、4）、（3、2)、（3、4）四种组合，都可以起到我们预期的开关的作用。

3、消抖

• 说到按键不得不说说消抖。这个还得从最初的原理讲起，就是按键值得采集是如何的。虽然咱们在操作的时候，就是将连接IO口的按键，按下的时候，表示为0，没有被按下的时候为1。但是这只是我们操作的时候，其实在实际程序里面已经进行了消抖，所以我们在按按键的时候才易出错。但是这不能说明实际的原理就是这样的。这只是理想状态的表现，如下图所示。

• 实际的按键按下会比这个复杂的多，按键在闭合和断开的时候，触点会出现抖动的现象，如下图所示：这个抖动不仅和按键的本身的机械结构有关系，也和按键的人的动作快慢轻重有关系，因此在按键按下或者是松开的时候都会出现一个不稳定的抖动时间，如果不处理好这个抖动时间，就无法采集好正确有效的按键值，这个我们在单片机的按键中也了解过。消抖的方法有软件消抖和硬件消抖。
• 硬件消抖:会使用一些额外的期间，占用我们的电路板上的空间，一定程度上增加了PCD布局布线的复杂度。
  
• 软件消抖
• 在按键采集中，为了有效地滤除按键抖动，使用一个约40ms的计数器，在按键值没有变化的时候，这个计数器总是不停的计数，并且计数到40ms最大值时进行一次当时按键的采样（作为最终键值锁存下来）。另外，专门设置2个寄存器对当前的按键输入值进行多拍锁存（并不作为最终的键值），并且利用这两个寄存器前后值得变化来判断当前键值是否有跳变（如从1变到0或者是从0变到1）。若有键值的跳变，则40ms计数器就会清零，相当于重新开始计数
  ，这就保证按键被按下或者松开时短于40ms的抖动情况下不锁存键值，从而达到滤除任何短于40ms的按键抖动。在实际情况下，我们应该做到灵活运用，根据实际情况而异。

二、矩阵键盘

• 在本实验中，我们有一组 4*4 矩阵键盘。但是通过 P12 的 PIN1-2 短接 时，其实 S1/S2/S3/S4可以作为独立按键使用，它的一端接地，另一端在上拉的同时连接到 FPGA 的 I/O 口。当 I/O口的电平为高（1）时，说明按键没有被按下，当 I/O 口的电平为低 （0）时，说明按键被按下了。矩阵键盘电路图如下所示：
  

三、矩阵键盘实验

1、功能简介

• 该实验要实现一个独立按键控制一个发光二极管（小灯）亮暗状态改变。上电初始，小灯不亮，当某一个按键被按下后（即键值为 0），小灯被点亮，当按键再次被按下时，小灯则又灭了，按键控制小灯如此反复的进行亮暗变化。
• 了解功能之后，我们绘制框图，我们使用延时程序，去除掉抖动的部分，通过计数过滤到按键抖动的时间，这个时候就需要使用到计数器，所以设计时就需要时序电路，输入信号为时钟信号和复位信号，这和之前的也不谋而同。第三路信号就是我们输入的没有经过处理的按键信号。输出信号就是经过消抖处理后的稳定的按键消抖信号。模块框图就绘制完成啦，如下图所示：
  
  然后就是波形的绘制。模拟按键波形，就是一段不规则的电平变化，有前抖动和后抖动，保持时间为5ms~10ms,中间的稳定电平为20ms。为了节约时间，我们田间一个20ms的计数器，计数间隔为20ms，每当系统检测到按键电平为低电平时就开始计数，在计数器计数期间，如果再次检测到高电平，就说明上次检测到的低电平就是一个抖动，那么我们就将这个计数器清零。晶振时钟是50MHZ，我们计数是20ms，计数值为999999最大值时，作为最终键值锁存下来。最后波形如下图所示
  

2、代码解析

module cy4(input ext_clk_25m, //外部输入 25MHz 时钟信号input ext_rst_n, //外部输入复位信号，低电平有效input[3:0] key_v,//4 个独立按键输入，未按下为高电平，按下后为低电平output reg[7:0] led //8 个 LED 指示灯接口);
//-------------------------------------
//按键抖动判断逻辑
wire key; //所有按键值相与的结果，用于按键触发判断
reg[3:0] keyr; //按键值 key 的缓存寄存器
assign key = key_v[0] & key_v[1] & key_v[2] & key_v[3];
always @(posedge ext_clk_25m or negedge ext_rst_n)if (!ext_rst_n) keyr <= 4'b1111;else keyr <= {keyr[2:0],key};
wire key_neg = ~keyr[2] & keyr[3]; //有按键被按下
wire key_pos = keyr[2] & ~keyr[3]; //有按键被释放
//-------------------------------------
//定时计数逻辑，用于对按键的消抖判断reg[19:0] cnt;
//按键消抖定时计数器
always @ (posedge ext_clk_25m or negedge ext_rst_n)if (!ext_rst_n) cnt <= 20'd0;else if(key_pos || key_neg) cnt <= 20'd0;else if(cnt < 20'd999_999) cnt <= cnt + 1'b1;else cnt <= 20'd0;reg[3:0] key_value[1:0];
//定时采集按键值
always @(posedge ext_clk_25m or negedge ext_rst_n)if (!ext_rst_n) beginkey_value[0] <= 4'b1111;key_value[1] <= 4'b1111;endelse begin key_value[1] <= key_value[0];if(cnt == 20'd999_999) key_value[0] <= key_v; //定时键值采集else ;end
wire[3:0] key_press = key_value[1] & ~key_value[0]; //消抖后按键值变化标志
位
//-------------------------------------
//LED 切换控制
always @ (posedge ext_clk_25m or negedge ext_rst_n)if (!ext_rst_n) led <= 8'hff;else if(key_press[0]) led[0] <= ~led[0];
else if(key_press[1]) led[1] <= ~led[1];
else if(key_press[2]) led[2] <= ~led[2];
else if(key_press[3]) led[3] <= ~led[3];
else ;endmodule

• 前提：所有4个独立按键，在任意一个按键被按下和释放期间，不会有其他按键也被按下或者是释放。

• 底层模块：与之前的代码一样，我们想要在底层模块中写好。时序信号和复位信号是必不可少的，然后加入了4个按键的输入，因为按键是4个所以我们需要定义位宽，位宽为4所以就是【3：0】。输出信号为LED等，有8个LED等，所以位宽定义为8个【7：0】。定义最后一个的时候语句后面是不需要加“，”逗号的。

• 消抖模块：首先将所有按键输入信号做“逻辑与”操作，得到信号key。信号 key 的值锁存 4 拍分别存储到寄存器 keyr[0]、keyr[1]、keyr[2]和 keyr[3]中（此时的采样频率和基准时钟一致，为 25MHz），通过 keyr[2]和 keyr[3]这两个寄存器获得 key 信号的上升沿标志位 key_pos 和下降沿标志位 key_neg。key_pos 和 key_neg 的获得过程分别如下两图。第一个图为上升沿脉冲检测波形，第二个图为下降沿脉冲检测波形。
  
  

• 计数器 cnt 在 key_pos 和 key_neg 有效拉高时，都会清零重新开始计数，计数器 cnt 的 最大计数值为40ms，若在某个固定时间内按键有抖动（这个抖动通常不会大于 40ms，这是 经验值），那么这段时间内计数器 cnt 会频繁的清0，cnt 的计数值就不会计数到最大值。一 旦 cnt 计数到最大值，我们就会对当前所有的按键值做一次锁存，锁存到 4 位寄存器key_value[0]中（即这个锁存操作的采样率是 40ms 为周期的，若按键的抖动小于 40ms，那么采样的按键值是不会变化的，那么就达到了消除抖动的目的）。随后，以系统时钟节拍下， key_value[1]会锁存
  key_value[0]的值。当按键按下操作，产生按键值的下降沿变化，那么 key_press就会获得一个时钟周期高脉冲的键值指示信号，通过这个键值指示信号，我们就可以对 LED 的状态变化做相应处理。

3、效果展示

初始状态为全灭，接着可以分别按下 S1/S2/S3/S4 按键，对应的 LED 指示灯的亮灭将会翻转。
初始状态：

按下按键2

再次按下按键2

参考链接

https://blog.csdn.net/qq_44526422/article/details/106237763?ops_request_misc=%25257B%252522request%25255Fid%252522%25253A%252522161215099916780299041564%252522%25252C%252522scm%252522%25253A%25252220140713.130102334.pc%25255Fall.%252522%25257D&request_id=161215099916780299041564&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2_allfirst_rank_v2~rank_v29-11-106237763.first_rank_v2_pc_rank_v29&utm_term=%25E7%258B%25AC%25E7%25AB%258B%25E6%258C%2589%25E9%2594%25AE

https://blog.csdn.net/wangjiaweiwei/article/details/90233186?ops_request_misc=%25257B%252522request%25255Fid%252522%25253A%252522161215099916780271590455%252522%25252C%252522scm%252522%25253A%25252220140713.130102334…%252522%25257D&request_id=161215099916780271590455&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2_alltop_click~default-1-90233186.first_rank_v2_pc_rank_v29&utm_term=%25E7%258B%25AC%25E7%25AB%258B%25E6%258C%2589%25E9%2594%25AE

https://www.bilibili.com/video/BV17X4y1T7hA?p=23