按键消抖(有/无状态机)

一,理论概念

  1. 按键抖动
    按键抖动:按键抖动通常的按键所用开关为机械弹性开关,当机械触点断开、闭合时,由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。当按下一次按键,可能在A点检测到一次低电平,在B点检测到一次高电平,在C点又检测到一次低电平。同时抖动是随机,不可测的。那么按下一次按键,抖动可能会误以为按下多次按键。
  2. 按键消抖的目的
    消除抖动对程序的影响
  3. 解决方案一
    延迟采样:一般的抖动在20ms之内,所以我们可以通过检测下降沿后,延迟20ms再进行采样
  4. 解决方案二
    信号平稳变化后延迟20ms后再进行采样,等到检测最后一个下降沿结束后再开始采样

二,项目代码

这里简单做了一个按键控制led用来简单检测按键是否消抖成功

  1. 按键消抖模块
    第一个模块是不适用状态机来实现的,只需要考虑按键按下时的抖动,不考虑按键弹起时的抖动
module key_debounce (
    input   wire            clk     ,
    input   wire            rst_n   ,
    input   wire    [3:0]   key_in  ,
    output  wire    [3:0]   key_out 
);

parameter MAX20ms = 20'd999_999;

wire            add_cnt;//倒计时开始使能
wire            end_cnt;//倒计时结束使能
reg    [19:0]   cnt_20ms;//20ms计数寄存器
reg    [3:0]    key_r0;//同步
reg    [3:0]    key_r1;//打拍
reg             start;//下降沿检测寄存器
reg    [3:0]    flag;
reg    [3:0]    key_out_r;//输出按键信号寄存器
wire            nedge;



//下降沿检测
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        key_r0 <= 4'b1111;
        key_r1 <= 4'b1111;
    end
    else begin
        key_r0 <= key_in;
        key_r1 <= key_r0;
    end
end

assign nedge = (~key_r0[0]&key_r1[0])||(~key_r0[1]&key_r1[1])||(~key_r0[2]&key_r1[2])||(~key_r0[3]&key_r1[3]);

//20ms计时器
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        cnt_20ms <= 20'd0;
    end
    else if (nedge) begin
        cnt_20ms <= 20'd0;
    end
    else if (add_cnt) begin
        if (end_cnt) begin
            cnt_20ms <= 20'd0;
        end
        else begin
            cnt_20ms <= cnt_20ms + 1'b1;
        end
    end
    else begin
        cnt_20ms <= 20'd0;
    end
end

assign add_cnt = start;
assign end_cnt = add_cnt && (cnt_20ms == MAX20ms);

//约束start
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        start <= 1'b0;
    end
    else if (nedge) begin
        start <= 1'b1;
    end
    else if (end_cnt) begin
        start <= 1'b0;
    end
    else begin
        start <= start ;
    end
end

//约束flag
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        flag <= 4'b1111;
    end
    else if (nedge) begin
        flag <= 4'b1111;
    end
    else if (end_cnt) begin
        flag <= key_r0;
    end
    else begin
        flag <= 4'b1111 ;
    end
end
// //脉冲信号
// always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
//     if (!rst_n) begin
//         key_out_r <= 4'b1111;
//     end
//     else if (!flag[0]) begin
//         key_out_r <= 4'b1110;
//     end
//     else if (!flag[1]) begin
//         key_out_r <= 4'b1101;
//     end
//     else if (!flag[2]) begin
//         key_out_r <= 4'b1011;
//     end
//     else if (!flag[3]) begin
//         key_out_r <= 4'b0111;
//     end
//     else begin
//         key_out_r <= 4'b1111;
//     end
// end

//持续信号
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        key_out_r <= 4'b1111;
    end
    else if (!flag[0]) begin
        key_out_r <= 4'b1110;
    end
    else if (!flag[1]) begin
        key_out_r <= 4'b1101;
    end
    else if (!flag[2]) begin
        key_out_r <= 4'b1011;
    end
    else if (!flag[3]) begin
        key_out_r <= 4'b0111;
    end
    else begin
        key_out_r <= key_out_r;
    end
end

assign key_out = key_out_r;
endmodule

这里可以通过控制key_out_r的状态来达到是脉冲还是持续信号

第二个是使用状态机来实现消抖,这个方法需要完整的考虑整个按键按下和弹起的全过程

module fsm_key_debounce # (parameter KEY_W = 4,TIME_20MS = 1_000_000)(
    input 			            clk		,
    input 			            rst_n	,
    input 		[KEY_W - 1:0]	key_in	,

    output 		[KEY_W - 1:0]	key_out	 
);
//参数定义
localparam IDLE  = 4'b0001;//初始状态 
localparam DOWN  = 4'b0010;//按键按下抖动
localparam HOLD  = 4'b0100;//按键按下后稳定
localparam UP    = 4'b1000;//按键上升抖动
//信号定义
reg [3:0] state_c;//现态
reg [3:0] state_n;//次态

//状态转移条件定义
wire idle2down;
wire down2idle;
wire down2hold;
wire hold2up  ;
wire up2idle  ;

reg [KEY_W - 1:0] key_r0;//同步
reg [KEY_W - 1:0] key_r1;//打拍
wire [KEY_W - 1:0] nedge;//下降沿
wire [KEY_W - 1:0] pedge;//上升沿

//20ms计数器
reg [19:0] cnt_20ms;
wire add_cnt_20ms;
wire end_cnt_20ms;

reg [KEY_W - 1:0] key_out_r;//输出寄存

always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)begin
        state_c <= IDLE;
    end
    else begin
        state_c <= state_n;
    end
end

always@(*)begin
    case(state_c)
        IDLE:begin
            if(idle2down)begin
                state_n = DOWN;
            end
            else begin
                state_n = state_c;
            end
        end
        DOWN:begin
            if(down2idle)begin
                state_n = IDLE;
            end
            else if(down2hold)begin
                state_n = HOLD;
            end
            else begin
                state_n = state_c;
            end
        end
        HOLD:begin
            if(hold2up)begin
                state_n = UP;
            end
            else begin
                state_n = state_c;
            end
        end
        UP:begin
            if(up2idle)begin
                state_n = IDLE;
            end
            else begin
                state_n = state_c;
            end
        end
        default:state_n = state_c;
    endcase
end

assign idle2down = (state_c == IDLE) && nedge;//检测到下降沿
assign down2idle = (state_c == DOWN) && (pedge&& end_cnt_20ms);//计时未到20ms时且出现上升沿表示按键意外抖动,回到初始态
assign down2hold = (state_c == DOWN) && (~pedge && end_cnt_20ms);//计时到20ms时没有出现上升沿标志按键按下后保持稳定
assign hold2up   = (state_c == HOLD) && (pedge);//检测到上升沿跳转到上升态
assign up2idle   = (state_c == UP)   && end_cnt_20ms;//计数器计数到20ms跳转到初始态
//20ms计数器
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)begin
        cnt_20ms <= 0;
    end
    else if(add_cnt_20ms)begin
        if(end_cnt_20ms)begin
            cnt_20ms <= 0;
        end
        else begin
            cnt_20ms <= cnt_20ms + 1'b1;
        end
    end
end
assign add_cnt_20ms = state_c == DOWN || state_c == UP;//当按键按下或上弹时开始计数
assign end_cnt_20ms = add_cnt_20ms && ((cnt_20ms == TIME_20MS - 1) || pedge);//当计数到最大值或检测到上升沿计数器清零



//同步打拍
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)begin
        key_r0 <= {KEY_W{1'b1}};
        key_r1 <= {KEY_W{1'b1}};
    end
    else begin
        key_r0 <= key_in;
        key_r1 <= key_r0;
    end
end

assign nedge = ~key_r0 &  key_r1;//检测下降沿
assign pedge =  key_r0 & ~key_r1;//检测上升沿

//按键赋值
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)begin
        key_out_r <= {KEY_W{1'b1}};
    end
    else if(state_c == HOLD && hold2up)begin
        key_out_r <= key_r1;
    end
    else begin
        key_out_r <= {KEY_W{1'b1}};
    end
end
assign key_out = key_out_r;

endmodule

  1. led灯
    这里只是写了一个小的测试led不过多陈述
module fsm_key_debounce # (parameter KEY_W = 4,TIME_20MS = 1_000_000)(
    input 			            clk		,
    input 			            rst_n	,
    input 		[KEY_W - 1:0]	key_in	,

    output 		[KEY_W - 1:0]	key_out	 
);
//参数定义
localparam IDLE  = 4'b0001;//初始状态 
localparam DOWN  = 4'b0010;//按键按下抖动
localparam HOLD  = 4'b0100;//按键按下后稳定
localparam UP    = 4'b1000;//按键上升抖动
//信号定义
reg [3:0] state_c;//现态
reg [3:0] state_n;//次态

//状态转移条件定义
wire idle2down;
wire down2idle;
wire down2hold;
wire hold2up  ;
wire up2idle  ;

reg [KEY_W - 1:0] key_r0;//同步
reg [KEY_W - 1:0] key_r1;//打拍
wire [KEY_W - 1:0] nedge;//下降沿
wire [KEY_W - 1:0] pedge;//上升沿

//20ms计数器
reg [19:0] cnt_20ms;
wire add_cnt_20ms;
wire end_cnt_20ms;

reg [KEY_W - 1:0] key_out_r;//输出寄存

always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)begin
        state_c <= IDLE;
    end
    else begin
        state_c <= state_n;
    end
end

always@(*)begin
    case(state_c)
        IDLE:begin
            if(idle2down)begin
                state_n = DOWN;
            end
            else begin
                state_n = state_c;
            end
        end
        DOWN:begin
            if(down2idle)begin
                state_n = IDLE;
            end
            else if(down2hold)begin
                state_n = HOLD;
            end
            else begin
                state_n = state_c;
            end
        end
        HOLD:begin
            if(hold2up)begin
                state_n = UP;
            end
            else begin
                state_n = state_c;
            end
        end
        UP:begin
            if(up2idle)begin
                state_n = IDLE;
            end
            else begin
                state_n = state_c;
            end
        end
        default:state_n = state_c;
    endcase
end

assign idle2down = (state_c == IDLE) && nedge;//检测到下降沿
assign down2idle = (state_c == DOWN) && (pedge&& end_cnt_20ms);//计时未到20ms时且出现上升沿表示按键意外抖动,回到初始态
assign down2hold = (state_c == DOWN) && (~pedge && end_cnt_20ms);//计时到20ms时没有出现上升沿标志按键按下后保持稳定
assign hold2up   = (state_c == HOLD) && (pedge);//检测到上升沿跳转到上升态
assign up2idle   = (state_c == UP)   && end_cnt_20ms;//计数器计数到20ms跳转到初始态
//20ms计数器
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)begin
        cnt_20ms <= 0;
    end
    else if(add_cnt_20ms)begin
        if(end_cnt_20ms)begin
            cnt_20ms <= 0;
        end
        else begin
            cnt_20ms <= cnt_20ms + 1'b1;
        end
    end
end
assign add_cnt_20ms = state_c == DOWN || state_c == UP;//当按键按下或上弹时开始计数
assign end_cnt_20ms = add_cnt_20ms && ((cnt_20ms == TIME_20MS - 1) || pedge);//当计数到最大值或检测到上升沿计数器清零



//同步打拍
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)begin
        key_r0 <= {KEY_W{1'b1}};
        key_r1 <= {KEY_W{1'b1}};
    end
    else begin
        key_r0 <= key_in;
        key_r1 <= key_r0;
    end
end

assign nedge = ~key_r0 &  key_r1;//检测下降沿
assign pedge =  key_r0 & ~key_r1;//检测上升沿

//按键赋值
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)begin
        key_out_r <= {KEY_W{1'b1}};
    end
    else if(state_c == HOLD && hold2up)begin
        key_out_r <= key_r1;
    end
    else begin
        key_out_r <= {KEY_W{1'b1}};
    end
end
assign key_out = key_out_r;

endmodule

  1. 顶层
module led_test_top (
    input                   clk     ,//全局时钟
    input                   rst_n   ,//复位
    input   wire     [3:0]   key     ,//2个按键

    output  wire     [3:0]   led         //四个led
);
wire [3:0] key_out;

key_debounce key_debounce_inst( 
        .clk    (clk),
        .rst_n	(rst_n),
        .key_in	(key),
        .key_out(key_out)	
);

led_test led_test_inst(
        .clk     (clk),//全局时钟
        .rst_n   (rst_n),//复位
        .key     (key_out),//2个按键
        .led     (led)    //四个led
);

endmodule
  1. 测试文件
`timescale 1ns/1ns
module led_tb ();
    
reg             clk     ;
reg             rst_n   ;
reg    [3:0]    key     ;
wire    [3:0]   led     ;


parameter   CYCLE = 20 ;
defparam    top_inst.key_debounce_inst.MAX_20ms = 5;




always #(CYCLE/2)   clk = ~clk ;

initial begin
    clk = 1'b0;
    rst_n = 1'b0;
    key = 4'b1111;
    #10
    rst_n = 1'b1;
    #10
    key = 4'b1110;
    wait(top_inst.key_debounce_inst.end_cnt)
    #(CYCLE*10);
    key = 4'b1111;
    #(CYCLE*10)
    key = 4'b1110;
    wait(top_inst.key_debounce_inst.end_cnt)
    #(CYCLE*10);
    key = 4'b1111;
    #(CYCLE*10)
    key = 4'b1110;
    wait(top_inst.key_debounce_inst.end_cnt)
    #(CYCLE*10);
    key = 4'b1111;
    #(CYCLE*10)
    key = 4'b1110;
    wait(top_inst.key_debounce_inst.end_cnt)
    #(CYCLE*10);
    key = 4'b1111;
    #(CYCLE*10)
    key = 4'b1101;
    wait(top_inst.key_debounce_inst.end_cnt)
    #(CYCLE*10);
    key = 4'b1111;
    #(CYCLE*10)
    key = 4'b0111;
    wait(top_inst.key_debounce_inst.end_cnt)
    #(CYCLE*10);
    key = 4'b1111;
    #(CYCLE*10)
    $stop;

end

led_test_top top_inst(
        .clk    (clk),
        .rst_n  (rst_n),
        .key    (key),
        .led    (led)
);
endmodule

三,测试波形

按键消抖(有/无状态机)_第1张图片

四,视频演示

目前无法拍摄视频后续补上

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