1、概述 按键的消抖，是指按键在闭合或松开的瞬间伴随着一连串的抖动，这样的抖动将直接影响设计系统的稳定性，降低响应灵敏度。因此，必须对抖动进行处理，即消除抖动的影响。实际工程中，有很多消抖方案，如 RS 触发器消抖，电容充放电消抖，软件消抖。本章利用 FPGA 内部来设计消抖，即采取软件消抖。 按键的机械特性，决定着按键的抖动时间，一般抖动时间在 5ms~10ms。消抖，也意味着，每次在按键闭合或松开期间，跳过这段抖动时间，再检测按键的状态。只要通过简单的延时就可实现按键的消抖动。
2、硬件电路分析2.1 原理图 开发板底板中配套 2 个独立按键与 FPGA 相连，具体请参见底板原理图。本章使用了开发板按键和 led。各个按键独立，消抖过程相同，因此使用底板上的 SW1 按键模拟实际使用。按键每按一次，对应的 LED 灯反转一次。即检测按键是否有闭合和断开的过程，如果有，第一次则 LED 灯点亮，第二次，则 LED 灯熄灭。
2.2 IO约束
set_property PACKAGE_PIN D9 [get_ports {led_o[0]}]
set_property PACKAGE_PIN J11 [get_ports {led_o[1]}]
set_property PACKAGE_PIN B9 [get_ports {led_o[2]}]
set_property PACKAGE_PIN J10 [get_ports {led_o[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS15 [get_ports {led_o[*]}]
set_property PACKAGE_PIN C8 [get_ports clk_i]
set_property IOSTANDARD LVCMOS15 [get_ports clk_i]
set_property PACKAGE_PIN H13 [get_ports key_i]
set_property IOSTANDARD LVCMOS15 [get_ports key_i]
set_property PACKAGE_PIN V19 [get_ports rst_n_i]
set_property IOSTANDARD LVCMOS15 [get_ports rst_n_i]
2.3 key 模块的设计 由于按键滤波是比较通用的一个程序，因此我们可以把一个通用的程序设置为一个模块，方便后面重复使用。
module key #
(
parameter CLK_FREQ = 100000000
)
(
input clk_i,
input key_i,
output key_cap
);
//10ms
parameter CNT_10MS = (CLK_FREQ/100 - 1'b1);
parameter KEY_S0 = 2'd0;
parameter KEY_S1 = 2'd1;
parameter KEY_S2 = 2'd2;
parameter KEY_S3 = 2'd3;
reg [24:0] cnt10ms = 25'd0;
(*mark_debug = "true"*) reg [1:0] key_s = 2'b0;
(*mark_debug = "true"*) reg [1:0] key_s_r = 2'b0;
(*mark_debug = "true"*) wire en_10ms ;
assign en_10ms = (cnt10ms == CNT_10MS);
assign key_cap = (key_s==KEY_S2)&&(key_s_r==KEY_S1);
always @(posedge clk_i)begin
if(cnt10ms < CNT_10MS)
cnt10ms <= cnt10ms + 1'b1;
else
cnt10ms <= 25'd0;
end
always @(posedge clk_i)begin
key_s_r <= key_s;
end
always @(posedge clk_i)begin
if(en_10ms)begin
case(key_s)
KEY_S0:begin
if(!key_i)
key_s <= KEY_S1;
end
KEY_S1:begin
if(!key_i)
key_s <= KEY_S2;
else
key_s <= KEY_S0;
end
KEY_S2:begin
if(key_i)
key_s <= KEY_S3;
end
KEY_S3:begin
if(key_i)
key_s <= KEY_S0;
else
key_s <= KEY_S2;
end
endcase
end
end
endmodule
以上代码中，首先把系统时钟做分频，产生 10ms 的分频时钟使能信号。每10ms都会判断一次是否有按键按下。在设计的状态机中，分 4 个状态： KEY_S0：判断按键是否按下，如果是，转移到状态 KEY_S1； KEY_S1：10ms 后再次判断按键是否按下，如果是，转移状态到 KEY_S2，否则继续回到KEY_S0； KEY_S2：判断按键是否抬起，如果是，转移状态到 KEY_S3 KEY_S3：10ms 后再次判断按键是否抬起，如果是，转移状态到 KEY_S0，否则继续回到KEY_S2； 当状态从 KEY_S1 转到 KEY_S2 代表依次按钮按下 key_cap 输出一次高电平。
2.4 调用 key 模块 以下代码中调用了 key 模块，并且每次 key_cap 有效，都会翻转一次 LED 的输出。
`timescale 1ns / 1ps
module Key_Jitter(
input clk_i,
input rst_n_i,
input key_i,
output [3:0] led_o
);
reg [3:0] led_o;
wire key_cap;
always @(posedge clk_i)begin
if(!rst_n_i)begin
led_o <= 4'b0000;
end
else if(key_cap)begin
led_o <= ~led_o;
end
end
key#
(
.CLK_FREQ(100000000)
)
key0
(
.clk_i(clk_i),
.key_i(key_i),
.key_cap(key_cap)
);
ila_0 ila_debug (
.clk(clk_i),
.probe0({key_cap,led_o})
);
endmodule
2.5 综合布线前仿真时序 1）新建仿真文件，仿真文件源码如下所示。
module Key_Jitter_tb;
// Inputs
reg clk_i;
reg rst_n_i;
reg key_i;
wire [2:0] led_o;
// Instantiate the Unit Under Test (UUT)
Key_Jitter uut (
.clk_i(clk_i),
.rst_n_i(rst_n_i),
.key_i(key_i),
.led_o(led_o)
);
initial
begin
// Initialize Inputs
clk_i = 0;
end
always #5 clk_i=~clk_i;
initial
begin
// Initialize Inputs
rst_n_i = 0;
#100;
rst_n_i=1;
key_i = 1;
#10000;
forever
begin
key_i = 0;
// Wait 100 ns for global reset to finish
#100;
key_i=1; #1000;
key_i=0; #1000;
key_i=1; #2000;
key_i=0; #5000;
#50000000;
key_i=1;
key_i=0; #1000;
key_i=1; #2000;
key_i=0; #1000;
key_i=1; #2000;
#50000000;
key_i=0;
end
end
endmodule
2）进入仿真界面：SIMULATION->单击 Run Simulation ->单击 Run Behavioral Simulation。
Setp3：设置断点
之后再点击下图箭头所指
之后可以看到增加的内部信号，可以以这种方法去观察内部信号
右击框选的需要增加观察的信号选择添加到波形窗口，并且取消断点
3）复位仿真波形
4）重新仿真时间为 1000ms
5）观察仿真波形
6）放大波形观察毛刺
3、板级验证结果分析 将程序下载。按键 SW1 每按一次，LED 灯很好地熄灭和点亮。LED 灯响应无差错。为清晰的表示消抖的效果，可将延时参数设置很小，可以发现，按键有时候明明已经按下去了，LED 却无响应。
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