FPGA学习笔记（八）—— 状态机设计实例之独立按键消抖
###### 【该随笔中部分内容转载自小梅哥】 #########
独立按键消抖自古以来在单片机和FPGA中都是个不可避免的问题，首先，解释一下什么叫做按键抖动，如图，按键在按下和松开的那个瞬间存在大概20ms的机械抖动：
下面就是本篇的第一个重点 —— 什么时候需要按键消抖设计？如果是像复位按键这样，短时间内可以多次触发，就完全不需要设计消抖，但是如果是要设计按下按键使LED状态翻转，或者按下按键计数一次的话，就必须要设计消抖模块，否则就会带来不可预知的错误，因为在按下按键的那个时刻，可能已经触发了少则几次，多则几十次，可见按键消抖的必要性；
那么，既然按键消抖如此重要，如何来进行消抖呢？
1、硬件消抖 —— 0.1uF电容滤波
这个104的电容就是起高频滤波的作用，在按键不是很多的情况下，可以使用这种设计，但是如果要做项目，会增加大量成本，所以接下来我们讲述如何进行软件消抖；
2、软件消抖 —— delay
if(key_in == 0)
{
deley(2000);
if(key_in == 0)
{
//按键按下，执行相应操作
}
}
在单片机中用C语言，可以这样设计按键消抖，同样的思路，在FPGA中，我们依然可以采用这种思想，将按键的这20ms抖动“屏蔽”，但是FPGA没有delay（2000），该如何设计呢？
FPGA中控制延时可以采用计数器，因为工作时钟是已知的50M，所以要延时20_000_000ns（20ms），只需要对计数1_000_000个clk就可以，这样延时问题就解决了，按照之前的思路，设计如下：只需要在检测到key_in变为0，启动定时器，定时器时间到，再次检测key_in是否为0，若为0，表明按键按下稳定，关闭计数器并清零，然后等待按键释放，也就是key_in出现上升沿，再次启动定时器，时间到后检测key_in，若为1，则证明按键已释放，一次完整的按键过程结束。
大致思路有了，如何设计实现呢？貌似这是一个很复杂的设计，实则不然，FSM的本质就是对具有逻辑规律和时序逻辑的事物的描述，采用FSM设计，问题迎刃而解！
1、从状态变量入手，分析状态变量：
IDLE：按键空闲状态（由于上拉电阻的作用，按键未被按下时保持高电平）;
FILTER_DOWN：按下滤波状态；
DOWN：按下稳定状态；
FILTER_UP：释放滤波状态；
2、分析状态转移条件，绘制状态转移图（visio）
3、照图施工，选用合适的描述方案
在描述的时候，有两个重要问题需要解决：
1）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，所以首先采用一级D触发器将key_in与clk同步，产生pedge和nedge信号，也就是边沿检测电路，代码如下：
//边沿检测电路
always@(posedge clk)
key_temp <= key_in; //暂存上一个clk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
2）当20ms延时完毕后，应该输出一个脉冲，通知其它模块检测key_flag引脚电平；
完整的verilog描述代码如下：
`timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Module Name: key_filter // Description: //独立按键消抖模块 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module key_filter( input clk, //50M时钟信号 input rst, //低电平复位 input key_in, //按键输入 output reg key_flag, //消抖完毕输出脉冲 output reg key_state //按键状态输出 ); reg [3:0]NS; //nextstate reg key_temp; wire key_pedge; wire key_nedge; reg en_cnt; reg [19:0]cnt; //需要计数次数1_000_000 //边沿检测电路 always@(posedge clk) key_temp <= key_in; //暂存上一个clk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 //带使能端计数器，用于20ms延时 always@(posedge clk,negedge rst) if(!rst) cnt <= 0; else if(en_cnt) cnt <= cnt + 1'b1; else cnt <= 0; //状态one-hot编码 localparam IDLE = 4'b0001, //空闲状态 FILTER_DOWN = 4'b0010, //按下消抖状态 DOWN = 4'b0100, //按下稳定状态 FILTER_UP = 4'b1000; //释放消抖状态 //一段式状态机 always@(posedge clk,negedge rst) if(!rst)begin NS <= IDLE; en_cnt <= 0; key_flag <= 0; key_state <= 1; end else case(NS) IDLE: begin key_flag <= 0; key_state <= 1; if(key_nedge)begin NS <= FILTER_DOWN; en_cnt <= 1'b1; //使能计数器 end else NS <= IDLE; end FILTER_DOWN: if(cnt >= 20'd999_999)begin en_cnt <= 0; //20ms时间到，失能计数器，进入稳定状态 key_flag <= 1'b1; //key_flag输出一个clk高脉冲 NS <= DOWN; end else if(key_pedge)begin en_cnt <= 0; //20ms时间内发生上升沿，失能计数器，保持空闲状态 NS <= IDLE; end DOWN: begin key_flag <= 0; key_state <= 0; if(key_pedge)begin NS <= FILTER_UP; en_cnt <= 1'b1; //使能计数器 end else NS <= DOWN; end FILTER_UP: if(cnt >= 20'd999_999)begin en_cnt <= 0; NS <= IDLE; //20ms时间到，失能计数器，进入稳定状态 key_flag <= 1; end else if(key_nedge)begin en_cnt <= 0; //20ms时间内发生上升沿，失能计数器，保持按下稳定状态 NS <= DOWN; end default: NS <= IDLE; endcase endmodule
4、编写tsetbench进行仿真测试（查看所生成的波形、状态转移图、RTL视图）
`timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Module Name: key_filter_tb // Description: ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// `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 begin rst <= 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; $stop; end endmodule
测试结果如下：
对于testbench，这个文件写的很繁琐，可以进行一下优化，首先
1、利用$random函数产生随机延时值模拟抖动，用法如下：
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
2、利用task/endtask将重复代码进行封装，用法如下：
task <任务名>;
<语句1>
<语句2>
<语句3>
....
endtask
优化后的testbench测试文件如下：
`timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Module Name: key_filter_tb // Description: ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// `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 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 begin rst <= 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 $stop; end task press_key; begin //开始模拟按键按下抖动 repeat(50)begin rand_time = {$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)begin rand_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; end endtask endmodule
测试结果如下（总共按键三次），可以看到，优化后的testbench比之前的测试更加精准，更加真实的模拟现实情况：
这里，因为这是一个按键模型，对外提供的功能就是实际中按键的作用，这也就是仿真模型，所以可以独立写一个testbench作为按键模型，方便例化调用：
按键模型的仿真代码如下：
`timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Module Name: key_module // Description: 仿真按键模型 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module key_module( output reg key //对外输出按键信号 ); reg [15:0]rand_time; //按键抖动时随机时长 initial begin key <= 1; //按键处于空闲状态 #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 $stop; end task press_key; begin //开始模拟按键按下抖动 repeat(50)begin rand_time = {$random} % 65536; #rand_time key = ~key; end //产生一个稳定的低电平大于20ms，代表按键稳定 key = 0; #30_000_000; //模拟释放抖动 repeat(50)begin rand_time = {$random} % 65536; #rand_time key = ~key; end //产生一个稳定的高电平大于20ms，代表释放稳定 key = 1; #30_000_000; end endtask endmodule
这样一来，在testebench中测试就可以直接调用该仿真模型，优化到最后的testbench如下：
`timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Module Name: key_filter_tb // Description: 基于按键模型进行测试 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// `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 wire 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 ); //例化按键模型 key_module key1( .key(key_in) //对外输出按键信号 ); //产生100M时钟信号 initial clk = 1; always #(`clk_period / 2) clk <= ~clk; //开始测试 initial begin rst = 0; //系统复位 #(`clk_period * 2); rst = 1; end endmodule
测试结果和之前完全一样，但testcench更加简洁，按键仿真也更加方便以后调用，至此，按键消抖模块就设计测试完毕，如有兴趣，可以进行进一步的设计，控制led或数码管计数。
