一、設計需求

設計一個按鍵控制led的功能模塊，即一個按鍵控制一個led。隨著每一次按鍵的按下，led就按照亮、滅交替顯示。

二、設計思路

本次使用的按鍵為機械彈性開關按鍵，但由于機械觸點的彈性作用，按鍵閉合時并不能馬上接通，同樣按鍵斷開時也不能馬上斷開，故在按鍵閉合和斷開的瞬間均伴隨著一連串的抖動，如圖1所示。而抖動的時間由按鍵的機械特性決定，一般為5ms~10ms。為了避免由于按鍵抖動而引起的誤操作，需要對按鍵進行消抖。

圖1 按鍵抖動

按鍵消抖包括硬件消抖和軟件消抖。當按鍵數目較少時，可采用硬件消抖如RS觸發器，否則將占大面積的PCB；當按鍵數目較多時，采用軟件消抖，利用程序避開按鍵的抖動期。

本設計采用軟件消抖的方案，即檢測按鍵是否按下，當檢測到按鍵按下時，延時10ms，再檢測按鍵是否真的按下了，若不是真的按下則返回繼續檢測按鍵是否按下，若是真的按下了則進行按鍵按下處理，接著檢測按鍵是否松開，當檢測到按鍵松開時，延時10ms，再檢測按鍵是否真的松開了，若不是真的松開則返回繼續檢測按鍵是否松開，若是真的松開了則進行按鍵松開處理，接著再返回檢測按鍵是否按下，就這樣不斷的判斷按鍵按下與否和松開與否。根據這種思路，給出按鍵檢測和消抖流程圖，如圖2所示。

圖2 按鍵檢測和消抖流程圖

圖3所示為紅色颶風E45開發板上按鍵的電路原理圖。從原理圖可以看出，按鍵按下時為低電平，按鍵斷開時為高電平。

圖3 E45中按鍵電路原理圖

圖4所示為本設計按鍵控制led的總體框架，由三個模塊組成，分別為子模塊KEY_Decounce、led_ctrl和頂層模塊key_ctrl_led。這里重點介紹按鍵檢測和消抖。圖5所示為KEY_Decounce模塊中所用到的按鍵檢測與消抖狀態機。狀態機中有四個狀態，分別為IDLE、JITTER1、DEAL和JITTER2。在IDLE狀態中檢測按鍵是否按下，若按下即data!=1則跳轉到JITTER1狀態中延時10ms進行消抖后再判斷按鍵是否真的按下了，若為真即data!=1則跳轉到DELA狀態中進行按鍵按下處理，否則即data==1則返回IDLE狀態中繼續檢測按鍵是否按下，在DEAL狀態中除了按鍵按下處理外還要檢測按鍵是否松開，若檢測到按鍵松開即data==1則跳轉到JITTER2狀態中延時10ms進行消抖后再判斷按鍵是否真的松開了，若為真即data==1則跳轉到IDLE狀態繼續檢測按鍵是否按下，否則返回DEAL狀態中繼續判斷按鍵是否松開。

圖4 按鍵控制led

圖5 按鍵檢測與消抖狀態機

三、設計實現

key_ctrl_led頂層模塊：

/**********************************************版權申明*************************************************
**                                   電子技術應用網站, CrazyBird
**
**--------------------------------------------文件信息--------------------------------------------------
** 文件名：          key_ctrl_led.v
** 創建者：          CrazyBird
** 創建日期：        2015-7-12
** 版本號:           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
    );
    //******************************************************************************
    //                                參數定義
    //******************************************************************************
    //  修改以下參數以滿足需求
    parameter   CLK_CYCLE = 20;                                        //   時鐘周期，單位ns
    //  修改以上參數以滿足需求
    
    //******************************************************************************
    //                            輸入/輸出端口定義
    //******************************************************************************
    input                           rst_n;                             //   全局復位信號，低電平有效
    input                           clk;                               //   全局時鐘信號，50MHz
    input                           key_data;                          //   鍵值輸入
    output                          led_data;                          //   led狀態
    
    //******************************************************************************
    //                                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
//*********************************************文件結束*****************************************************

KEY_Debounce模塊：

/**********************************************版權申明*************************************************
**                                   電子技術應用網站, CrazyBird
**
**--------------------------------------------文件信息--------------------------------------------------
** 文件名：          KEY_Debounce.v
** 創建者：          CrazyBird
** 創建日期：        2015-7-12
** 版本號:           v1.0
** 功能描述：        該模塊主要負責完成按鍵的檢測和消抖
**                   
********************************************************************************************************/
// synopsys translate_off
`timescale 1 ns / 1 ps
// synopsys translate_on
module KEY_Debounce(
    rst_n,
    clk,
    key_data,
    key_flag
    );
    //******************************************************************************
    //                                參數定義 
    //******************************************************************************
    //  修改以下參數以滿足需求
    parameter   CLK_CYCLE = 20;                                        //   時鐘周期，單位ns
    parameter   T0        = 10_000_000;                                //   10ms，按鍵消抖時間
    // parameter   T0        = 1000;                                      //   測試用
    parameter   DELAY     = 19;                                        //   10ms計數器位寬
    //  修改以上參數以滿足需求
    
    //  以下參數不要修改
    parameter   T0_VAL = (T0/CLK_CYCLE)-1;                             //   10ms，按鍵消抖時間
    parameter   IDLE   = 2'b00,
                JITTER1= 2'b01,
                DEAL   = 2'b10,
                JITTER2= 2'b11;
    //  以上參數不要修改
    
    //******************************************************************************
    //                           輸入/輸出端口定義   
    //******************************************************************************
    input                           rst_n;                             //   全局復位信號，低電平有效
    input                           clk;                               //   全局時鐘信號，50MHz
    input                           key_data;                          //   鍵值輸入
    output reg                      key_flag;                          //   按鍵按下標志位
    
    //******************************************************************************
    //                               變量定義
    //******************************************************************************
    wire                            delay_cnt_done;
    
    //******************************************************************************
    //                      實現按鍵檢測和消抖的狀態機
    //******************************************************************************
    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
    
    //******************************************************************************
    //                               計數器的實現
    //******************************************************************************
    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
//*********************************************文件結束*****************************************************

led_ctrl模塊：

/**********************************************版權申明*************************************************

**
**--------------------------------------------文件信息--------------------------------------------------
** 文件名：          led_ctrl.v
** 創建者：          CrazyBird
** 創建日期：        2015-7-12
** 版本號:           v1.0
** 功能描述：        該模塊根據按鍵每次按下時將led的狀態取反
**                   
********************************************************************************************************/
// 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;                             //   全局復位信號，低電平有效
    input                           clk;                               //   全局時鐘信號，50MHz
    input                           led_en;                            //   led狀態取反使能信號
    output reg                      led_data;                          //   led狀態
    
    //******************************************************************************
    //                              led狀態控制
    //******************************************************************************
    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
//*********************************************文件結束*****************************************************

modelsim仿真結果：

從仿真結果看，本設計已實現了按鍵控制led的功能，同時也達到了按鍵消抖的效果。

最后對設計進行綜合、布局布線、生成bit流文件、下載在紅色颶風板子上，然后通過控制led燈的亮與滅。

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