一、設(shè)計(jì)需求
設(shè)計(jì)一個(gè)按鍵控制led的功能模塊，即一個(gè)按鍵控制一個(gè)led。隨著每一次按鍵的按下，led就按照亮、滅交替顯示。
二、設(shè)計(jì)思路
本次使用的按鍵為機(jī)械彈性開關(guān)按鍵，但由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，按鍵閉合時(shí)并不能馬上接通，同樣按鍵斷開時(shí)也不能馬上斷開，故在按鍵閉合和斷開的瞬間均伴隨著一連串的抖動(dòng)，如圖1所示。而抖動(dòng)的時(shí)間由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為5ms~10ms。為了避免由于按鍵抖動(dòng)而引起的誤操作，需要對(duì)按鍵進(jìn)行消抖。
圖1 按鍵抖動(dòng)
按鍵消抖包括硬件消抖和軟件消抖。當(dāng)按鍵數(shù)目較少時(shí)，可采用硬件消抖如RS觸發(fā)器，否則將占大面積的PCB；當(dāng)按鍵數(shù)目較多時(shí)，采用軟件消抖，利用程序避開按鍵的抖動(dòng)期。
本設(shè)計(jì)采用軟件消抖的方案，即檢測(cè)按鍵是否按下，當(dāng)檢測(cè)到按鍵按下時(shí)，延時(shí)10ms，再檢測(cè)按鍵是否真的按下了，若不是真的按下則返回繼續(xù)檢測(cè)按鍵是否按下，若是真的按下了則進(jìn)行按鍵按下處理，接著檢測(cè)按鍵是否松開，當(dāng)檢測(cè)到按鍵松開時(shí)，延時(shí)10ms，再檢測(cè)按鍵是否真的松開了，若不是真的松開則返回繼續(xù)檢測(cè)按鍵是否松開，若是真的松開了則進(jìn)行按鍵松開處理，接著再返回檢測(cè)按鍵是否按下，就這樣不斷的判斷按鍵按下與否和松開與否。根據(jù)這種思路，給出按鍵檢測(cè)和消抖流程圖，如圖2所示。
圖2 按鍵檢測(cè)和消抖流程圖
圖3所示為紅色颶風(fēng)E45開發(fā)板上按鍵的電路原理圖。從原理圖可以看出，按鍵按下時(shí)為低電平，按鍵斷開時(shí)為高電平。
圖3 E45中按鍵電路原理圖
圖4所示為本設(shè)計(jì)按鍵控制led的總體框架，由三個(gè)模塊組成，分別為子模塊KEY_Decounce、led_ctrl和頂層模塊key_ctrl_led。這里重點(diǎn)介紹按鍵檢測(cè)和消抖。圖5所示為KEY_Decounce模塊中所用到的按鍵檢測(cè)與消抖狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)機(jī)中有四個(gè)狀態(tài)，分別為IDLE、JITTER1、DEAL和JITTER2。在IDLE狀態(tài)中檢測(cè)按鍵是否按下，若按下即data!=1則跳轉(zhuǎn)到JITTER1狀態(tài)中延時(shí)10ms進(jìn)行消抖后再判斷按鍵是否真的按下了，若為真即data!=1則跳轉(zhuǎn)到DELA狀態(tài)中進(jìn)行按鍵按下處理，否則即data==1則返回IDLE狀態(tài)中繼續(xù)檢測(cè)按鍵是否按下，在DEAL狀態(tài)中除了按鍵按下處理外還要檢測(cè)按鍵是否松開，若檢測(cè)到按鍵松開即data==1則跳轉(zhuǎn)到JITTER2狀態(tài)中延時(shí)10ms進(jìn)行消抖后再判斷按鍵是否真的松開了，若為真即data==1則跳轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)繼續(xù)檢測(cè)按鍵是否按下，否則返回DEAL狀態(tài)中繼續(xù)判斷按鍵是否松開。
圖4 按鍵控制led
圖5 按鍵檢測(cè)與消抖狀態(tài)機(jī)
三、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
key_ctrl_led頂層模塊：
/**********************************************版權(quán)申明*************************************************
** 電子技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站, CrazyBird
**
**--------------------------------------------文件信息--------------------------------------------------
** 文件名： key_ctrl_led.v
** 創(chuàng)建者： CrazyBird
** 創(chuàng)建日期： 2015-7-12
** 版本號(hào): v1.0
** 功能描述： 頂層模塊將按鍵消抖模塊和led控制模塊連接起來，完成按鍵控制led的功能
**
********************************************************************************************************/
// synopsys translate_off
`timescale 1 ns / 1 ps
// synopsys translate_on
module key_ctrl_led(
rst_n,
clk,
key_data,
led_data
);
//******************************************************************************
// 參數(shù)定義
//******************************************************************************
// 修改以下參數(shù)以滿足需求
parameter CLK_CYCLE = 20; // 時(shí)鐘周期，單位ns
// 修改以上參數(shù)以滿足需求
//******************************************************************************
// 輸入/輸出端口定義
//******************************************************************************
input rst_n; // 全局復(fù)位信號(hào)，低電平有效
input clk; // 全局時(shí)鐘信號(hào)，50MHz
input key_data; // 鍵值輸入
output led_data; // led狀態(tài)
//******************************************************************************
// 變量定義
//******************************************************************************
wire key_flag;
//******************************************************************************
// 模塊的連接
//******************************************************************************
// 例化KEY_Debounce模塊
KEY_Debounce #(
.CLK_CYCLE(CLK_CYCLE)
)
u_KEY_Debounce (
.rst_n ( rst_n ),
.clk ( clk ),
.key_data ( key_data ),
.key_flag ( key_flag )
);
// 例化led_ctrl模塊
led_ctrl u_led_ctrl (
.rst_n ( rst_n ),
.clk ( clk ),
.led_en ( key_flag ),
.led_data ( led_data )
);
//******************************************************************************
endmodule
//*********************************************文件結(jié)束*****************************************************KEY_Debounce模塊：
/**********************************************版權(quán)申明*************************************************
** 電子技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站, CrazyBird
**
**--------------------------------------------文件信息--------------------------------------------------
** 文件名： KEY_Debounce.v
** 創(chuàng)建者： CrazyBird
** 創(chuàng)建日期： 2015-7-12
** 版本號(hào): v1.0
** 功能描述： 該模塊主要負(fù)責(zé)完成按鍵的檢測(cè)和消抖
**
********************************************************************************************************/
// synopsys translate_off
`timescale 1 ns / 1 ps
// synopsys translate_on
module KEY_Debounce(
rst_n,
clk,
key_data,
key_flag
);
//******************************************************************************
// 參數(shù)定義
//******************************************************************************
// 修改以下參數(shù)以滿足需求
parameter CLK_CYCLE = 20; // 時(shí)鐘周期，單位ns
parameter T0 = 10_000_000; // 10ms，按鍵消抖時(shí)間
// parameter T0 = 1000; // 測(cè)試用
parameter DELAY = 19; // 10ms計(jì)數(shù)器位寬
// 修改以上參數(shù)以滿足需求
// 以下參數(shù)不要修改
parameter T0_VAL = (T0/CLK_CYCLE)-1; // 10ms，按鍵消抖時(shí)間
parameter IDLE = 2'b00,
JITTER1= 2'b01,
DEAL = 2'b10,
JITTER2= 2'b11;
// 以上參數(shù)不要修改
//******************************************************************************
// 輸入/輸出端口定義
//******************************************************************************
input rst_n; // 全局復(fù)位信號(hào)，低電平有效
input clk; // 全局時(shí)鐘信號(hào)，50MHz
input key_data; // 鍵值輸入
output reg key_flag; // 按鍵按下標(biāo)志位
//******************************************************************************
// 變量定義
//******************************************************************************
wire delay_cnt_done;
//******************************************************************************
// 實(shí)現(xiàn)按鍵檢測(cè)和消抖的狀態(tài)機(jī)
//******************************************************************************
reg [1:0] state;
reg delay_cnt_en;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(rst_n==1'b0)
begin
state <= IDLE;
delay_cnt_en <= 1'b0;
key_flag <= 1'b0;
end
else
begin
case(state)
IDLE :
begin
if(key_data!=1'b1)
begin
state <= JITTER1;
delay_cnt_en <= 1'b1;
end
else
state <= IDLE;
end
JITTER1 :
begin
if(delay_cnt_done==1'b1)
begin
delay_cnt_en <= 1'b0;
if(key_data!=1'b1)
begin
state <= DEAL;
key_flag <= 1'b1;
end
else
state <= IDLE;
end
else
state <= JITTER1;
end
DEAL :
begin
key_flag <= 1'b0;
if(key_data==1'b1)
begin
state <= JITTER2;
delay_cnt_en <= 1'b1;
end
else
state <= DEAL;
end
JITTER2 :
begin
if(delay_cnt_done==1'b1)
begin
delay_cnt_en <= 1'b0;
if(key_data==1'b1)
state <= IDLE;
else
state <= DEAL;
end
else
state <= JITTER2;
end
endcase
end
end
//******************************************************************************
// 計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)
//******************************************************************************
reg [DELAY-1:0] delay_cnt;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(rst_n==1'b0)
delay_cnt <= {(DELAY){1'b0}};
else if(delay_cnt_en==1'b1)
begin
if(delay_cnt_done==1'b1)
delay_cnt <= {(DELAY){1'b0}};
else
delay_cnt <= delay_cnt + 1'b1;
end
else
delay_cnt <= {(DELAY){1'b0}};
end
assign delay_cnt_done = (delay_cnt==T0_VAL);
//******************************************************************************
endmodule
//*********************************************文件結(jié)束*****************************************************led_ctrl模塊：
/**********************************************版權(quán)申明*************************************************
**
**--------------------------------------------文件信息--------------------------------------------------
** 文件名： led_ctrl.v
** 創(chuàng)建者： CrazyBird
** 創(chuàng)建日期： 2015-7-12
** 版本號(hào): v1.0
** 功能描述： 該模塊根據(jù)按鍵每次按下時(shí)將led的狀態(tài)取反
**
********************************************************************************************************/
// synopsys translate_off
`timescale 1 ns / 1 ps
// synopsys translate_on
module led_ctrl(
rst_n,
clk,
led_en,
led_data
);
//******************************************************************************
// 輸入/輸出端口定義
//******************************************************************************
input rst_n; // 全局復(fù)位信號(hào)，低電平有效
input clk; // 全局時(shí)鐘信號(hào)，50MHz
input led_en; // led狀態(tài)取反使能信號(hào)
output reg led_data; // led狀態(tài)
//******************************************************************************
// led狀態(tài)控制
//******************************************************************************
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(rst_n==1'b0)
led_data <= 1'b0;
else if(led_en==1'b1)
led_data <= ~led_data;
else
led_data <= led_data;
end
//******************************************************************************
endmodule
//*********************************************文件結(jié)束*****************************************************modelsim仿真結(jié)果：
從仿真結(jié)果看，本設(shè)計(jì)已實(shí)現(xiàn)了按鍵控制led的功能，同時(shí)也達(dá)到了按鍵消抖的效果。
最后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合、布局布線、生成bit流文件、下載在紅色颶風(fēng)板子上，然后通過控制led燈的亮與滅。
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