EEPW论坛

利用按键控制LED的要求为：按一下按键，改变一下LED的状态。按键按一次，LED由熄灭变为点亮，按键再按一次，LED由点亮变为熄灭。

• 硬件介绍
  

开发板上面有四个按键，当按键按下时，将对应的网络置成低电平；当按键释放时，将对应的网络置成高电平。

开发板上面有四个LED发光二极管，FPGA输出高电平时，LED点亮；FPGA输出低电平时，LED熄灭。

• 设计原理
  

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。

按键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理，必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键的状态，并且必须判别到键释放稳定后再作处理。

抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～10ms。这是一个很重要的时间参数，在很多场合都要用到。按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒。

我们可以在按键和主控设备之间加入消抖电路（消抖芯片、电容等），此种方法会增大PCB面积和花费一定的物料费用。大多数的板子直接将按键和主控设备相连接，将带有抖动的波形输入到主控设备内部，由内部进行消抖处理。

单片机一般采用延迟重采样的方式进行消抖。当检测到信号为低时，延迟一段时间（一般为20ms），再次检测信号是否为低，如果为低，则证明按键按下，否则认为按键没有按下，继续下一次检查。

在FPGA设计时，笔者推荐另外一种方式：持续采样。当检测到信号持续为低10ms，认为按键按下；当检测到信号持续为高10ms，认为按键释放。

在设计时，需要考虑到外部的按键信号为异步信号，需要进行同步处理。具体请参考附录2 FPGA中的同步信号、异步信号和亚稳态。

每次按键按下的时间的长短不一，经过消抖后，低电平的持续长度长短也不一样。此长度远远大于一个时钟周期的长度。要求每次按下只能够切换一次LED的状态，所以不能够直接用此电平当做输出翻转的使能。

经过消抖的波形，每次按下只有一个下降沿（按键按下时）、只有一个上升沿（按键释放时）。所以通过检测下降沿（上升沿）的变化，产生一个新的信号------脉冲（一个时钟周期的脉冲），利用此脉冲作为翻转的使能即可。利用检测到下降沿的脉冲翻转时，LED的状态会在按下时就会改变；利用检测到上升沿的脉冲翻转时，LED的状态会在释放时发生改变。本设计中采用检测到下降沿的脉冲进行翻转。

• 设计架构和信号说明
  

本设计模块命名为key_led。

在设计中，共分为三个模块。

key_filter（按键消抖模块）：将外部输入的带有抖动的波形进行消抖。

edge_check（边沿检测模块）：将消抖后的波形进行下降沿检测，并产生对应的脉冲。

led_ctrl（led控制模块）：利用脉冲，翻转led的输出状态。

• key_filter设计实现
  

本设计采用状态机实现，状态机的具体原理请参看相关文章。

对key_n信号为异步信号，需要进行同步两拍，命名为key_n_r和key_n_rr。状态机的判断信号为key_n_rr信号。

本设计共分为四个状态，KEY_OFF（按键释放状态），SHAKE_ON（按键按下时抖动判断状态），KEY_ON（按键按下状态），SHAKE_OFF（按键释放时抖动判断状态）。

按键没有按下时，一直KEY_OFF状态，当按键信号变为低电平时，就转入SHAKE_ON状态，检测低电平的持续时间。如果持续时间没有达到T_10ms就变为高电平，则清零计数器并返回KEY_OFF状态；如果持续时间没有达到T_10ms并且也一直为低电平，则继续在SHAKE_ON状态计数；如果持续时间达到T_10ms并且为低电平，则清零计数器并进入KEY_ON状态。在KEY_ON状态，外部输入为低电平时，则继续在KEY_ON状态；如果外部输出为高电平，则转入SHAKE_OFF状态。在SHAKE_OFF状态，如果持续时间没有到达T_10ms就变为低电平，则清零计数器并返回KEY_ON状态；如果持续时间没有达到T_10ms并且一直为高电平，则继续在SHAKE_OFF状态计数；如果持续时间达到T_10ms并且一直为高电平，则清零计数器并转入KEY_OFF状态。

在KEY_OFF和SHAKE_ON状态，认为按键没有按下；在KEY_ON和SHAKE_OFF状态，认为按键为按下；

状态转移图如下：

设计代码为：

localparam可以定义参数，与parameter的区别在于，parameter定义的参数可以在例化时进行参数修改，而localparam定义的参数在例化时则不能够修改。定义状态机状态时，一般采用localparam的定义方式。在不希望别人修改参数时，也可以定义为localparam。

• edge_check设计实现
  

在一个波形中，如果当前时刻为低电平，上一个时刻为高电平，则认为波形中有一个下降沿；如果当前时刻为高电平，上一个时刻为低电平，则认为波形中有一个上升沿。

在数字电路设计时，可以采用寄存器来存储上一个时刻的值。

在寄存器电路中，Q的值，永远是上一个CLK的有效边沿所采样的D值。因此Q为上一时刻值，而D为当前时刻的值。

设计代码为：

在设计中，注释掉的两行代码和其下方的一行代码的功能是相同的。例：对于上升沿脉冲来说，现在为1，过去为0即为上升沿。由于寄存器每个时钟周期都刷新，满足这个要求的只会存在一个时钟周期，所以flag_pos为一个时钟周期的脉冲。

• led_ctrl设计实现
  

本模块中，利用脉冲进行led状态的翻转即可。

设计代码为：

• key_led设计实现
  

本模块只是负责将上述的三个模块按照架构图的方式进行连接，形成最终的设计。

设计代码为：

在设计中，采用了按键按下时的脉冲（检测到下降沿的脉冲），按键按下时led的状态即可进行翻转。

• 功能仿真
  

在仿真时，将按键消抖中的T_10ms的参数修改为20，即持续时间不超过400ns都不认为是有效按下或者抬起。

仿真代码如下：

将okey_n、flag信号添加出来。

通过RTL仿真图，可以清晰的看到okey_n信号将key_n的抖动滤除掉；flag信号为okey_n信号的下降沿时所产生的脉冲；led在flag信号为高时，反正翻转。

分配管脚、下板测试之前，应该将按键消抖里面的T_10ms参数重新改为500_000，否则下板后可能会达不到消抖的效果。

下板观察现象：

下板成功后，可以修改在设计中使用上升沿的脉冲，得到的现象应该是按键释放时，LED的状态发生反转。

切记：每次修改代码，一定要进行重新编译，否则更改将不会生效。