按键消抖

1万 · 2023-5-29 15:09

方案：在按下阶段计时，当按下时间大于规定时间时，记为一次按键。

一般情况下，我们从按下按键到松开基本需要大于几十毫秒的时间，系统时钟的周期处于纳秒级，因此我们按下一次按键会被大于十万个时钟的上升沿采集到，然而我们希望的是按下一次按键只被一次上升沿采集到，不然会被认为按了多次按键，所以我们需要对我们的按键进行处理。假设按键在没被按下时为高电平，被按下时处于低电平，如图 2 所示的波形图。

　　　　　　　　　图 2 按键波形图

由图 2 分析可知在 key 被按下时有且仅有一个 key 的上升沿和一个 key 的下降沿，我们可以通过检测 key 的上升沿或者下降沿来确定按键被按下一次，这就涉及到边缘检测，具体方法如图 3 所示，可以用 clk 的上升沿将 key 延时一个周期产生 key_reg，通过 key 和 key_reg 的值同时判断 key 的上升沿或下降沿。由图 3 可知，当用 clk 的上升沿检测到 key 等于 1 的同时 key_reg 等于 0，此时则为 key 的上升沿，若 key 等于 0 的同时 key_reg 等于 1 则为 key 的下降沿。
　　　　　　　　　图 3 边缘检测
　由图 3 可知根据 key 的上升沿或下降沿可确定按键按了一次，然而事实却不允许我们这么做。图 4 给出了一个按键的模型，当不按下按键 s 时，a、b 两点是断开的，按下按键 s 时线路才接通，然而当按下按键时，会存在物理上的抖动现象，此时 a、b 两点会在断开和接通之间反复的一段时间，就会出现图 5 所示的抖动、稳定的波形。
　　　　　　　　　图 4 按键模型

　　　　　　　　　图 5 按键抖动
图 5 所示前抖动为按下时产生的抖动，后抖动为按键松开时造成的抖动，前、后抖动持续时间一般均为 5~10ms，在有抖动的情况下，key 会被 clk 上升沿采集到很多的上升沿和下降沿，因此用 key 的上升沿和下降沿判断按键一次就不成立了，我们需要寻找新的方法。
　　我们知道按键被按下时 key 值为低电平（0），在抖动期间 key 既有高电平也有低电平，我们可以使用 clk 的上升沿计算 key 连续为低电平的时间，期间当检测到 key 为高电平时，则从头开始计数，当计数超过 5~10ms 时，我们可以认定按键有被按下的时候，此时我们可以产生一个 clk 周期为高电平的标志，当该标志位高电平认为有一次按键即可，具体波形如图 6 所示。
　　　　　　　　　图 6 按键消抖波形图
　　此处我们认为 key 值有连续性的 5ms 时为按键被按下，时钟周期为 50MHz，即 20ns，可以算出 5ms 占 250000 个 clk 周期，也就是说 cnt 从 0 计数到 249999 为 5ms，当 cnt 等于 249999 时可以将 po_key_flag 拉高一个周期，由于按键时间长短无法确定，因此 cnt 有可能多次达到 249999 这个值，会造成 po_key_flag 多次被拉高，这样又会出现按下一次键被当成按下多次，所以在图 6 中出现了 cnt_flag 变量，在遇到 cnt 等于 249999 时，cnt_flag 就会被置高，直到遇到 key 等于高电平时才会被拉低，这样我们就可以将第一个 cnt 等于 249999 和后面的区分开，那么我们也可以用 cnt 和 cnt_flag 共同控制在一次按键中，保证 po_key_flag 有且仅有一个时钟周期的高电平。根据波形图可得到如下所示的代码。

1万 · 2023-5-29 15:10

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module aa(input clk,rst_n,key,output reg key_flag);

reg [17:0] cnt;

reg cnt_full;

always@(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n) cnt<=18'b0;

else if (key==0) cnt<=cnt+1'b1;

else cnt<=18'b0;

end



always@(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n) cnt_full<=1'b0;

else if(cnt==24999)

cnt_full<=1'b1;

else if (key==1) cnt_full<=1'b0;

else cnt_full<=cnt_full;

end



always@(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n) key_flag<=1'b0;

else if (cnt==24999&&cnt_full==1'b0)

key_flag=1'b1;

else key_flag=1'b0;

end

endmodule

代码解析：

①第４行的 always 块实现了一个计数器，当 key 键按下（值为 0）的时候开始计数，当检测到按键松开（值为 1）的时候计数器归零，这样在抖动时候，该计数器会出现计数、归零循环的一个过程，直到 key 值一直为 0，即按键持续被按下并且抖动过程结束，计数器才会持续计数到 5ms；

②第 10 行的 always 块产生一个标志，当检测到 cnt 第一次等于 24999的下一个clk时，该标志则被置为高电平，这样就可以将 cnt 第一次等于 24999 和之后的 cnt 等于24999 区分开，直到 key 松开（值为 1）时，该标志才被置为低电平；具体第一次cnt=24999时，cnt_full=0，之后的cnt=24999时，cnt_full=1.

③第 18 行的 always 块实现产生整个按键过程中的一个时钟周期高电平的标志，当 cnt 计数到 5ms 时，为了确保只有一次的 key_flag 有效，因此此处条件中不仅需要 cnt=5ms，而且需要 cnt_flag==0。至此，实现了按键的消抖处理，在此基础上就可以很好地实现最初的要求了。

1万 · 2023-5-29 15:10

复制

`timescale 1ns/1ns



`define clk_period 20



module tb;



        reg Clk;

        reg Rst_n;

        reg key_in;

        

        wire key_flag;

        wire key_state;

        

        aa aa(

                .clk(Clk),

                .rst_n(Rst_n),

                .key(key_in),

                .key_flag(key_flag)

        );

        

        initial Clk= 1;

        always#(`clk_period/2) Clk = ~Clk;

        

        initial begin

                Rst_n = 1'b0;

                key_in = 1'b1;

                #(`clk_period*10) Rst_n = 1'b1;

                #(`clk_period*10 + 1);

                key_in = 1'b0;#1000;

                key_in = 1'b1;#2000;

                key_in = 1'b0;#1400;

                key_in = 1'b1;#2600;

                key_in = 1'b0;#1300;

                key_in = 1'b1;#200;

                key_in = 1'b0;#2000100;

                #50000100;

                

                key_in = 1'b1;#2000;

                key_in = 1'b0;#1000;

                key_in = 1'b1;#2000;

                key_in = 1'b0;#1400;

                key_in = 1'b1;#2600;

                key_in = 1'b0;#1300;

                key_in = 1'b1;#2000100;

                #50000100;

                

                key_in = 1'b0;#1000;

                key_in = 1'b1;#2000;

                key_in = 1'b0;#1400;

                key_in = 1'b1;#2600;

                key_in = 1'b0;#1300;

                key_in = 1'b1;#200;

                key_in = 1'b0;#2000100;

                #50000100;

                

                key_in = 1'b1;#2000;

                key_in = 1'b0;#1000;

                key_in = 1'b1;#2000;

                key_in = 1'b0;#1400;

                key_in = 1'b1;#2600;

                key_in = 1'b0;#1300;

                key_in = 1'b1;#2000100;

                #50000100;

                $stop;                

        end

        

endmodule

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