状态机按键消抖电路设计
按键消抖电路设计
- 1. 什么是按键抖动
- 2. 消抖电路设计思路
- 3. 代码实现
- 4. 仿真测试
- 4.1. initial语句块赋值
- 4.2. 调用task任务封装赋值并调用$random函数
重新补充一下，
这里的消抖，可以看作开关的消抖，开关闭合和释放都要进行消抖处理，并且中间会保持一段时间。
而按键的消抖，按下释放是连着的，这一个过程会发出一个脉冲信号，证明按键按下过
1. 什么是按键抖动
实际的拨动开关和按键都是机械式的设备，在状态改变时可能会出现来回抖动多次导致状态不稳定的情况，通常抖动的持续时间不超过20ms。消抖电路的目的就是滤去这段时间内的抖动信号。
2. 消抖电路设计思路
使用有限状态机的思想，当输入信号稳定20ms后才改变抖动以后的输出值。假定使用的系统时钟频率为50HMz，要等待20ms的时间，那么就使用计数器数1_000_000个clk，解决延时问题。
按照等待延时的思路，可以这样设计：检测到按键key_in按下，启动计数器，等到20ms后检测key_in是否为0，若为0，表明按键按下状态稳定，关闭计数器，然后等待按键key_in释放；当检测到key_in释放出现上升沿，再次启动计数器，20ms后检测key_in是否为1，若为1，表明按键已释放，一次完整的按键过程结束。 每20ms检测完毕后，输出一个flag脉冲。
为了实现按键消抖，考虑到两种情况，按下需要消抖，释放需要消抖。状态机分为4个状态，两个稳定状态和两个消抖状态
IDLE：空闲状态，默认按键不按下为稳定高电平
FILTER_DOWN：按键按下消抖状态
DOWN：按键按下稳定状态
FILTER_UP：按键释放消抖状态
消抖模块端口设计
3. 代码实现
module key_filter(output reg key_flag, // 消抖完毕输出脉冲output reg key_state, // 按键状态输出input wire clk, // 50MHz时钟input wire rst,input wire key_in);// 状态声明parameter IDLE = 4'b0001;parameter FILTER_DOWN = 4'b0010; parameter DOWN = 4'b0100;parameter FILTER_UP = 4'b1000;reg [3:0] next_state;reg key_temp; // wire key_nedge; //wire key_pedge; //reg en_counter; // 计数器使能信号reg [19:0] counter; // 计数1_000_000次// 边沿检测电路// 按键信号属于异步信号，在状态转移中需要对按键边沿敏感，所以先采用一级D触发器将key_in与clk同步，产生pedge和nedge信号always @ (posedge clk)key_temp <= key_in; // 暂存上一个按键状态assign key_nedge = (key_temp) && (!key_in); // 下降沿检测assign key_pedge = (!key_temp) && (key_in); // 上升沿检测// 带使能的计数器，实现20ms延时always @ (posedge clk) beginif (rst == 1'b0) begincounter <= 0;end else if (en_counter == 1'b1) begincounter <= counter + 1;end else begincounter <= 0;endend// 状态机模块always @ (posedge clk or negedge rst) beginif (rst == 1'b0) beginnext_state <= IDLE;en_counter <= 1'b0;key_flag <= 1'b0;key_state <= 1'b1;end else begincase (next_state)IDLE: beginkey_flag <= 1'b0;key_state <= 1'b1;if (key_nedge) beginnext_state <= FILTER_DOWN;en_counter <= 1'b1;end else beginnext_state <= IDLE;end endFILTER_DOWN: beginif (counter >= 20'd999_999) begin // 20ms时间到key_flag <= 1'b1; // flag输出一个高脉冲，进入稳定状态en_counter <= 1'b0; // 计数器不使能next_state <= DOWN;end else if (key_pedge) begin // 20ms内检测到有上升沿en_counter <= 1'b0; //计数器不使能，保持空闲状态next_state <= IDLE;endendDOWN: beginkey_flag <= 1'b0;key_state <= 1'b0;if (key_pedge) beginnext_state <= FILTER_UP;en_counter <= 1'b1;end else beginnext_state <= DOWN;end endFILTER_UP: beginif (counter >= 20'd999_999) begin // 20ms时间到key_flag <= 1'b1; // flag输出一个高脉冲，进入稳定状态en_counter <= 1'b0; // 计数器不使能next_state <= IDLE;end else if (key_nedge) begin // 20ms内检测到有下降沿en_counter <= 1'b0; // 计数器不使能，保持按下稳定状态next_state <= DOWN;endenddefault: beginnext_state <= IDLE;endendcaseendendendmodule
4. 仿真测试
4.1. initial语句块赋值
`define clk_period 20 //100M系统时钟module key_filter_tb();reg clk; //50M时钟信号reg rst; //低电平复位reg key_in; //按键输入wire key_flag; //消抖完毕输出脉冲wire key_state; //按键状态输出//例化测试模块key_filter key_filter_test(.clk(clk), //50M时钟信号.rst(rst), //低电平复位.key_in(key_in), //按键输入.key_flag(key_flag), //消抖完毕输出脉冲.key_state(key_state) //按键状态输出
);//产生100M时钟信号initial clk = 1;always #(`clk_period / 2) clk <= ~clk;//开始测试initial beginrst <= 0; //系统复位key_in <= 1; //按键处于空闲状态#(`clk_period * 2);rst <= 1;#10_000_000; //延时10ms,方便观察按键按下现象//开始模拟按键按下抖动key_in <= 0; #1000;key_in <= 1; #2000;key_in <= 0; #1400;key_in <= 1; #2600;key_in <= 0; #1300;key_in <= 1; #200;//产生一个稳定的低电平大于20ms，代表按键稳定key_in <= 0; #30_000_000;//模拟释放抖动key_in <= 1; #2000;key_in <= 0; #1000;key_in <= 1; #2600;key_in <= 0; #1400;key_in <= 1; #200;key_in <= 0; #1300;//产生一个稳定的高电平大于20ms，代表释放稳定key_in <= 1; #30_000_000;$stop;endendmodule
局部抖动
4.2. 调用task任务封装赋值并调用$random函数
- 利用$randon函数产生随机延时置模拟抖动
reg [15:0]randnum;
randnum = $random % 50; //产生一个-49~49内的随机数
randnum = {$random} % 50; //产生一个0 ~ 50内的随机数
- 利用 task / endtask 将重复代码进行封装
task <任务名>;<语句1><语句2><语句3>....
endtask
`define clk_period 20 //100M系统时钟module key_filter_2_tb();reg clk; //50M时钟信号reg rst; //低电平复位reg key_in; //按键输入wire key_flag; //消抖完毕输出脉冲wire key_state; //按键状态输出reg [15:0]rand_time; //按键抖动时随机时长//例化测试模块key_filter key_filter_test(.clk(clk), //50M时钟信号.rst(rst), //低电平复位.key_in(key_in), //按键输入.key_flag(key_flag), //消抖完毕输出脉冲.key_state(key_state) //按键状态输出
);//产生100M时钟信号initial clk = 1;always #(`clk_period / 2) clk <= ~clk;//开始测试initial beginrst <= 0; //系统复位key_in <= 1; //按键处于空闲状态#(`clk_period * 2);rst <= 1;#10_000_000; //延时10ms,方便观察按键按下现象press_key; #10000; //第一次按下按键press_key; #10000; //第二次按下按键press_key; #10000; //第三次按下按键$stop;endtask press_key;begin//开始模拟按键按下抖动repeat(50)beginrand_time = {$random} % 65536;#rand_time key_in = ~key_in; end //产生一个稳定的低电平大于20ms，代表按键稳定key_in = 0; #30_000_000;//模拟释放抖动repeat(50)beginrand_time = {$random} % 65536;#rand_time key_in = ~key_in; end//产生一个稳定的高电平大于20ms，代表释放稳定key_in = 1;#30_000_000;endendtaskendmodule
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