小梅哥和你一起深入学习FPGA之独立按键检测(上)
发布时间:2016-2-18 14:14
发布者:designapp
几乎没有哪一个系统没有输入输出设备,大到显示器,小到led灯,轻触按键。作为一个系统,要想稳定的工作,输入输出设备的性能占了很重要的角色。本实验,小梅哥就通过一个独立按键的检测实验,来正式步入基本外设驱动开发的大门。 一、 实验目的 实现4个独立按键的抖动检测实验,并通过4个独立按键控制4个led灯亮灭状态的翻转。 二、 实验原理 实际系统中常用的按键大部分都是轻触式按键,如图2-1所示。该按键内部由一个弹簧片和两个固定触点组成,当弹簧片被按下,则两个固定触点接通,按键闭合。弹簧片松开,两个触点断开,按键也就断开了。根据这种按键的机械特性,在按键按下时,会先有一段时间的不稳定期,在这期间,两个触点时而接通,时而断开,我们称之为抖动,当按键大约按下20ms后,两个触点才能处于稳定的闭合状态,按键松开时和闭合时情况类似。而我们的FPGA工作在很高的频率,按键接通或断开时任何一点小的抖动都能轻易的捕捉到,如果不加区分的将每一次闭合或断开都当做一次按键事件,那么势必一次按键动作会被FPGA识别为很多次按键操作,从而导致系统工作稳定性下降。 图2-1 轻触按键实物图 一次按键动作的大致波形如下图所示: 因此,我们所需要做的工作,就是滤除按键按下和释放时各存在的20ms的不稳定波形 三、 硬件设计 独立按键属于一种输入设备,其与FPGA连接的IO口被接上了10K的上拉电阻,在按键没有按下时,FPGA会检测到高电平;当按键按下后,FPGA的IO口上则将呈现低电平。因此,按键检测的实质就是读取FPGA的IO上的电平。 图3-1 独立按键典型电路 四、 架构设计 本实验由总共四个模块组成,分别为LED驱动模块、独立按键检测模块、控制模块和顶层模块,其架构如下: 以下为按键抖动检测的代码,采用状态机的方式编写,总共有两个状态,按下消抖为状态0,释放消抖为状态1。具体的消抖流程代码中的注释已经写的比较清楚,但如果全部用文字解释出来还是有一定的复杂性。这也是实地讲解和网上文档的一点点差距吧,希望我后期的视频里面能讲清楚。其实抖动消除的核心思路就是对按键状态的变化进行计时,若两次电平变化之间时间小于20ms,则视为抖动,若低电平稳定时间超过20ms,则表明检测到了稳定的按键状态。释放时的消抖过程与按下时的消抖过程类似。 以下是代码片段: module normal_keys_detect #(parameter KEY_WIDTH = 4) (Clk,Rst_n,Key_in,Key_Flag,Key_Value); input Clk; input Rst_n; input [KEY_WIDTH-1:0]Key_in; output reg Key_Flag; output reg[KEY_WIDTH-1:0]Key_Value; reg [KEY_WIDTH-1:0]key_tmp,key_tmp1; reg [19:0]cnt1; reg state; wire level_change; /*按键状态变化标志信号*/ localparam cnt1_TOP = 1_000_000; /*-------存储按键状态的上一个状态---------------*/ always @ (posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) begin key_tmp 按键检测的结果进行观察和分析,通过仿真,验证设计的正确性和合理性。按键消抖模块的testbench的代码如下: 以下是代码片段: `timescale 1ns/1ns module normal_keys_detect_tb; reg Clk; reg Rst_n; reg [3:0]Key_in; wire Key_Flag; wire [3:0]Key_Value; normal_keys_detect #( .KEY_WIDTH(4) ) normal_keys_detect_inst1( .Clk(Clk), .Rst_n(Rst_n), .Key_in(Key_in), .Key_Flag(Key_Flag), .Key_Value(Key_Value) ); initial begin Clk = 1; Rst_n = 0; Key_in = 4'b1111; #100; Rst_n = 1; press_key(0); #30000000; press_key(1); #30000000; press_key(2); #30000000; press_key(3); #30000000; $stop; end always #10 Clk = ~Clk; task press_key; input [1:0]Key; begin Key_in = 4'b1111; /*按下抖动*/ #100 Key_in[Key] = 0; #200 Key_in[Key] = 1; #300 Key_in[Key] = 0; #400 Key_in[Key] = 1; #500 Key_in[Key] = 0; #600 Key_in[Key] = 1; #700 Key_in[Key] = 0; #800 Key_in[Key] = 1; #900 Key_in[Key] = 0; /*稳定期*/ #22000000; /*释放抖动*/ #100 Key_in[Key] = 1; #200 Key_in[Key] = 0; #300 Key_in[Key] = 1; #400 Key_in[Key] = 0; #500 Key_in[Key] = 1; #600 Key_in[Key] = 0; #700 Key_in[Key] = 1; #800 Key_in[Key] = 0; #900 Key_in[Key] = 1; end endtask endmodule testben中使用了一个任务(task),该任务模拟按键抖动的过程,给按键按下和释放时增加抖动,调用时只需要输入需要按下的按键编号,该任务便可自动完成按下抖动、稳定、松开抖动的过程。 整个工程的testbench与消抖模块的testbench一样,只需要在例化部分将消抖模块替换为顶层模块即可,同时将每个按键的任务由一次调用该为两次调用即可,详细代码如下: 以下是代码片段: `timescale 1ns/1ns module top_tb; reg Clk; reg Rst_n; reg [3:0]Key_in; wire [3:0]Led; top top_inst( .Clk(Clk), .Rst_n(Rst_n), .Key_in(Key_in), .Led(Led) ); initial begin Clk = 1; Rst_n = 0; Key_in = 4'b1111; #100; Rst_n = 1; press_key(0); #30000000; press_key(0); #30000000; press_key(1); #30000000; press_key(1); #30000000; press_key(2); #30000000; press_key(2); #30000000; press_key(3); #30000000; press_key(3); #30000000; $stop; end always #10 Clk = ~Clk; task press_key; input [1:0]Key; begin Key_in = 4'b1111; /*按下抖动*/ #100 Key_in[Key] = 0; #200 Key_in[Key] = 1; #300 Key_in[Key] = 0; #400 Key_in[Key] = 1; #500 Key_in[Key] = 0; #600 Key_in[Key] = 1; #700 Key_in[Key] = 0; #800 Key_in[Key] = 1; #900 Key_in[Key] = 0; /*稳定期*/ #22000000; /*释放抖动*/ #100 Key_in[Key] = 1; #200 Key_in[Key] = 0; #300 Key_in[Key] = 1; #400 Key_in[Key] = 0; #500 Key_in[Key] = 1; #600 Key_in[Key] = 0; #700 Key_in[Key] = 1; #800 Key_in[Key] = 0; #900 Key_in[Key] = 1; end endtask endmodule |
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