【FPGA零基础学习之旅#10】按键消抖模块设计与验证（一段式状态机实现）

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一、效果演示

🥝模块设计：

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🥝按键消抖模块的完整代码，可直接使用：

//
//模块：按键消抖模块
//key_state：输出消抖之后按键的状态
//key_flag：按键消抖结束时产生一个时钟周期的高电平脉冲
/
module KeyFilter(input Clk,input Rst_n,input key_in,output reg key_flag,output reg key_state
);//按键的四个状态localparamIDLE 		= 4'b0001,FILTER1 	= 4'b0010,DOWN 		= 4'b0100,FILTER2 	= 4'b1000;//状态寄存器reg [3:0] curr_st;//边沿检测输出上升沿或下降沿wire pedge;wire nedge;//计数寄存器reg [19:0]cnt;//使能计数寄存器reg en_cnt;//计数满标志信号reg cnt_full;//计数满寄存器//------<边沿检测电路的实现>------//边沿检测电路寄存器reg key_tmp0;reg key_tmp1;//边沿检测always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)beginkey_tmp0 <= 1'b0;key_tmp1 <= 1'b0;endelse beginkey_tmp0 <= key_in;key_tmp1 <= key_tmp0;end	endassign nedge = (!key_tmp0) & (key_tmp1);assign pedge = (key_tmp0)  & (!key_tmp1);//------<状态机主程序>------	//状态机主程序always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)begincurr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;key_flag <= 1'b0;key_state <= 1'b1;endelse begincase(curr_st)IDLE:beginkey_flag <= 1'b0;if(nedge)begincurr_st <= FILTER1;en_cnt <= 1'b1;endelsecurr_st <= IDLE;endFILTER1:beginif(cnt_full)beginkey_flag <= 1'b1;key_state <= 1'b0;curr_st <= DOWN;en_cnt <= 1'b0;end	else if(pedge)begincurr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;endelsecurr_st <= FILTER1;endDOWN:beginkey_flag <= 1'b0;if(pedge)begincurr_st <= FILTER2;en_cnt <= 1'b1;endelsecurr_st <= DOWN;endFILTER2:beginif(cnt_full)beginkey_flag <= 1'b1;key_state <= 1'b1;curr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;end	else if(nedge)begincurr_st <= DOWN;en_cnt <= 1'b0;endelsecurr_st <= FILTER2;enddefault:begincurr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;key_flag <= 1'b0;key_state <= 1'b1;endendcaseendend//------<20ms计数器>------		//20ms计数器//Clk 50_000_000Hz//一个时钟周期为20ns//需要计数20_000_000 / 20 = 1_000_000次always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)cnt <= 20'd0;else if(en_cnt)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 20'd0;endalways@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)cnt_full <= 1'b0;else if(cnt == 999_999)cnt_full <= 1'b1;elsecnt_full <= 1'b0;endendmodule

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🥝RTL视图：

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🥝状态转移：

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🥝仿真结果：

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二、模块设计

🥝模块设计：

信号	作用
clk	时钟信号输入
rst_n	复位信号输入
key_in	按键信号输入
key_flag	消抖结束之后的标志位
key_state	消抖结束之后按键的状态

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🥝上升沿检测电路：

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🥝下降沿检测电路：

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🥝边沿检测电路的实现：
检测到下降沿，nedge输出高电平；检测到上升沿，pedge输出高电平。

//------<边沿检测电路的实现>------
//边沿检测电路寄存器
reg key_tmp0;
reg key_tmp1;//边沿检测
always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)beginkey_tmp0 <= 1'b0;key_tmp1 <= 1'b0;endelse beginkey_tmp0 <= key_in;key_tmp1 <= key_tmp0;end	
endassign nedge = (!key_tmp0) & (key_tmp1);//检测到下降沿，nedge输出高电平
assign pedge = (key_tmp0)  & (!key_tmp1);//检测到上升沿，pedge输出高电平

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🥝一段式状态机设计：
按键的四种状态：

//按键的四个状态
localparamIDLE 		= 4'b0001,FILTER1 	= 4'b0010,DOWN 		= 4'b0100,FILTER2 	= 4'b1000;

计数器：

//------<20ms计数器>------		
//20ms计数器
//Clk 50_000_000Hz
//一个时钟周期为20ns
//需要计数20_000_000 / 20 = 1_000_000次//计数寄存器
reg [19:0]cnt;//使能计数寄存器
reg en_cnt;//计数满标志信号
reg cnt_full;//计数满寄存器always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)cnt <= 20'd0;else if(en_cnt)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 20'd0;
endalways@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)cnt_full <= 1'b0;else if(cnt == 999_999)cnt_full <= 1'b1;elsecnt_full <= 1'b0;
end

状态机主程序：

//------<状态机主程序>------	
//状态机主程序
always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)begincurr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;key_flag <= 1'b0;key_state <= 1'b1;endelse begincase(curr_st)IDLE:beginkey_flag <= 1'b0;if(nedge)begincurr_st <= FILTER1;en_cnt <= 1'b1;endelsecurr_st <= IDLE;endFILTER1:beginif(cnt_full)beginkey_flag <= 1'b1;key_state <= 1'b0;curr_st <= DOWN;en_cnt <= 1'b0;end	else if(pedge)begincurr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;endelsecurr_st <= FILTER1;endDOWN:beginkey_flag <= 1'b0;if(pedge)begincurr_st <= FILTER2;en_cnt <= 1'b1;endelsecurr_st <= DOWN;endFILTER2:beginif(cnt_full)beginkey_flag <= 1'b1;key_state <= 1'b1;curr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;end	else if(nedge)begincurr_st <= DOWN;en_cnt <= 1'b0;endelsecurr_st <= FILTER2;enddefault:begincurr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;key_flag <= 1'b0;key_state <= 1'b1;endendcaseend
end

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三、仿真测试

3.1 常规编写

`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20module KeyFilter_tb;reg Clk;reg Rst_n;reg key_in;wire key_flag;wire key_state;KeyFilter KeyFilter0(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.key_in(key_in),.key_flag(key_flag),.key_state(key_state));initial Clk = 1;always#(`clock_period/2) Clk = ~Clk;initial beginRst_n = 1'b0;key_in = 1'b1;#(`clock_period*10);Rst_n = 1'b1;#(`clock_period*10 + 1);key_in = 0;#1000;key_in = 1;#2000;key_in = 0;#1400;key_in = 1;#2600;key_in = 0;#1300;key_in = 1;#200;key_in = 0;#20000100;#50000000;key_in = 1;#2600;key_in = 0;#1000;key_in = 1;#2000;key_in = 0;#1400;key_in = 1;#2600;key_in = 0;#1300;key_in = 1;#200;key_in = 1;#20000100;#50000000;$stop;endendmodule

仿真结果：

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3.2 task编写

`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20module KeyFilter_tb;reg Clk;reg Rst_n;reg key_in;wire key_flag;wire key_state;KeyFilter KeyFilter0(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.key_in(key_in),.key_flag(key_flag),.key_state(key_state));initial Clk = 1;always#(`clock_period/2) Clk = ~Clk;initial beginRst_n = 1'b0;key_in = 1'b1;#(`clock_period*10);Rst_n = 1'b1;#(`clock_period*10 + 1);#30000;PressKey; #10000;PressKey; #10000;PressKey; #10000;$stop;endreg [15:0]myrand;task PressKey;begin//50次随机时间按下抖动repeat(50)beginmyrand = {$random}%65536;//0~65535#myrand key_in = ~key_in;endkey_in = 0;#50_000_000;//按下稳定//50次随机时间释放抖动repeat(50)beginmyrand = {$random}%65536;//0~65535#myrand key_in = ~key_in;endkey_in = 1;#50_000_000;//释放稳定endendtaskendmodule

注意$random随机函数的用法：

$random这一系统函数可以产生一个有符号的32bit随机整数。一般的用法是 $random%b，其中 b>0。这样就会生成一个范围在(-b+1):(b-1)中的随机数。如果只得到正数的随机数，可采用{$random}%b 来产生。

myrand = {$random}%65536;//0~65535

上述语句的作用即是产生了0~65535之间的随机数。

通过repeat语句循环50次，就产生了50次不同的延时效果：

repeat(50)beginmyrand = {$random}%65536;//0~65535#myrand key_in = ~key_in;
end

仿真结果：

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四、仿真模型

编写key_model并添加到测试激励文件中：

`timescale 1ns/1nsmodule key_model(key);output reg key;reg [15:0]myrand;initial beginkey = 1'b1;PressKey; #10000;PressKey; #10000;PressKey; #10000;$stop;endtask PressKey;begin//50次随机时间按下抖动repeat(50)beginmyrand = {$random}%65536;//0~65535#myrand key = ~key;endkey = 0;#50_000_000;//按下稳定//50次随机时间释放抖动repeat(50)beginmyrand = {$random}%65536;//0~65535#myrand key = ~key;endkey = 1;#50_000_000;//释放稳定endendtask	endmodule

修改KeyFilter_tb：

`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20module KeyFilter_tb;reg Clk;reg Rst_n;wire key_in;wire key_flag;wire key_state;KeyFilter KeyFilter0(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.key_in(key_in),.key_flag(key_flag),.key_state(key_state));key_model key_model0(.key(key_in));initial Clk = 1;always#(`clock_period/2) Clk = ~Clk;initial beginRst_n = 1'b0;#(`clock_period*10);Rst_n = 1'b1;#(`clock_period*10 + 1);endendmodule

整个激励文件的内部结构：

仿真结果：

🧸结尾

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