FPGA學習-按鍵消抖模塊設計與驗證A

ID:108531 · 發(fā)表于 2016-3-12 22:30

Fpga 學習筆記7（狀態(tài)機設計實例）：因內容比較簡單，而且在這篇日志中也有相關的知識點，就不寫了。

該集主要知識點：

1、利用狀態(tài)機實現濾除物理按鍵所產生的抖動波形。

2、非阻塞賦值的巧妙運用

3、將狀態(tài)機與計數器功能組合使用

4、在仿真代碼中利用隨機數產生延時隨機的時間。

5、task 運用方式、以及將仿真測試代碼模塊化

按鍵抖動的現象與狀態(tài)機對應的狀態(tài)：

一、源程序

/* 實驗名稱：按鍵消抖模塊設計與驗證

* 功能實現：濾除按鍵抖動的波形

*/

`define DEC_TIME_CNT ((20 * 1000 * 1000) / 20 - 1)

module mytest(clk, rst_n, key_in, key_flag, key_state);

input clk, rst_n, key_in;

output reg key_flag, key_state;

reg[3:0] state; // 狀態(tài)機狀態(tài)

reg key_old, key_cur; // key狀態(tài)

wire pedge, nedge; // 邊沿狀態(tài)

// 50MHz的時鐘 = 1/50M = 0.02us = 20ns

// 20ms = 20_000_000ns / 20ns = 1000_000

reg[19:0] time_cnt; // 計數器計數值

reg time_full; // 計數器已經達到指定的時間

reg time_en; // 計數器使能

localparam // 狀態(tài)機幾種狀態(tài)的標志

IDLE = 4'b0001, // 空閑，即高電平狀態(tài)，為按下狀態(tài)

DING = 4'b0010, // 按下時抖動狀態(tài)

DOWN = 4'b0100, // 可以確定是處于按下狀態(tài)而不是抖動狀態(tài)

UING = 4'b1000; // 彈起時抖動狀態(tài)

// 邊沿檢測

always@(posedge clk, negedge rst_n)

if(!rst_n)begin

key_cur <= 1'b0;

key_old <= 1'b0;

end

else

begin

key_cur <= key_in; // 這里由于采用了非阻塞賦值

key_old <= key_cur; // 所以在同一個時鐘內 key_old 采樣 key_curr 的是舊的值

end

// 判斷上升沿、下降沿

assign pedge = !key_old & key_cur; // 原來為低電平，現在為高電平，則表示檢測到上升沿

assign nedge = key_old & !key_cur; // 原來為高電平，現在為低電平，則表示檢測到下降沿

// 計數功能

always@(posedge clk, negedge rst_n)

if(!rst_n)begin

time_cnt <= 20'd0;

// time_en <= 1'b0; // 這里不能再次賦值，因為在狀態(tài)機的程序塊中需要對該信號賦值

// 一個信號不能在多個 always 塊中賦值

end

else if(time_en)

time_cnt <= time_cnt + 1'b1;

else

time_cnt <= 20'd0;

// 檢測時間是否已經到了這里指定 20ms 的時間

always@(posedge clk, negedge rst_n)

if(!rst_n)

time_full <= 1'b0;

else if(time_cnt == `DEC_TIME_CNT)

time_full <= 1'b1;

else

time_full <= 1'b0;

// 狀態(tài)機

always@(posedge clk, negedge rst_n)

if(!rst_n)begin

state <= IDLE;

key_flag <= 1'b0;

key_state <= 1'b1;

end

else begin

case(state)

IDLE: begin // 空閑狀態(tài)：按鍵沒有被按下

key_flag <= 1'b0; // 在空閑狀態(tài) 按鍵需要清零

if(nedge) begin // 檢測到下降沿

state <= DING; // 設置狀態(tài)為 DING，下個時鐘上升沿將會進入另外一個分支

time_en <= 1'b1; // 啟動定時器

end

else

state <= IDLE; // 依據是高電平，設置狀態(tài)為 DING

end

DING: begin // 濾波抖動，按下時產生的抖動狀態(tài)

if(time_full) begin // 如果指定的時間內沒有上升沿

key_flag <= 1'b1; // 則表示處于穩(wěn)定狀態(tài)，進入按下狀態(tài)

key_state <= 1'b0; // 表示按下

state <= DOWN; // 設置狀態(tài)為按下

time_en <= 1'b0; // 關閉定時器

end

else if(pedge) begin // 如果指定的時間內出現上升沿說明是處于抖動狀態(tài)

state <= IDLE; // 重新設置為空閑狀態(tài)

time_en = 1'b0; // 并且關閉定時器

end

else // 時間未到，但也沒有出現電平變化則進行維持此狀態(tài)

state <= DING;

end

DOWN: begin // 按鍵按下狀態(tài)：此時經過濾波之后處于按下狀態(tài)

key_flag <= 1'b0; // 將標志位清0

if(pedge) begin // 如果出現上升沿則表示要彈起

state <= UING;

time_en = 1'b1; // 啟動定時器

end

else // 如果沒有出現上升沿則維持此狀態(tài)

state <= DOWN;

end

UING: begin

if(time_full)begin // 到達指定時間

key_flag <= 1'b1; // 設置按鍵標志

key_state <= 1'b1; // 設置按鍵狀態(tài)為彈起狀態(tài)

state <= IDLE; // 將狀態(tài)設置為空閑

time_en <= 1'b0; // 關閉定時器

end

else if(nedge)begin // 如果出現下降沿

time_en <= 1'b0; // 關閉定時器

state <= DOWN; // 仍設置為按下狀態(tài)，即跳回之前的狀態(tài)

end

else

state <= UING; // 如果時間未到并且未出現電平變化則維持此狀態(tài)

end

default: begin // 如果出現其他狀態(tài)，意味著被干擾出現錯誤的狀態(tài)

time_en <= 1'b0; // 關閉定時器

state <= IDLE;

key_flag <= 1'b0; // 設置按鍵標志

key_state <= 1'b1; // 設置按鍵狀態(tài)為彈起狀態(tài)

end

endcase

end

endmodule

源碼中的知識點：

1、一個信號不允許在兩個或兩個以上的always 程序塊中被賦值

2、利用非阻塞賦值語句實現識別上升沿下降沿

// 邊沿檢測 …

always@(posedge clk, negedge rst_n)

// 代碼省略..

begin

key_cur <= key_in;

key_old <= key_cur;

end

// 判斷上升沿、下降沿

assign pedge = !key_old & key_cur;

assign nedge = key_old & !key_cur;

3、狀態(tài)機的使用

二、RTL視圖（黃色是狀態(tài)機模塊）

三、狀態(tài)機

從源碼和圖中可以看到狀態(tài)機實際上就是利用多個標志位去對應多種狀態(tài)，按照我們的邏輯進行組合，每一種狀態(tài)對應一系列行為，每一種狀態(tài)都依賴前一種狀態(tài)的變化，從而實現模擬順序執(zhí)行的邏輯。

四、仿真測試代碼

/* 實驗名稱：按鍵消抖模塊的驗證

* 功能實現：驗證按鍵消抖模塊是否符合設計要求

*/

`timescale 1ns/1ns

`define clock_period 20

module mytest_tb;

reg clk, rst_n, key_in;

wire key_flag, key_state;

mytest u1(clk, rst_n, key_in, key_flag, key_state);

initial clk = 1;

always #(`clock_period / 2) clk = ~clk;

initial begin

rst_n = 1'b0;

key_in = 1'b1;

#(`clock_period * 10) rst_n = 1'b1;

// 延時10時鐘周期，再加1ns 錯開完整的時鐘這樣可以更加真實的模擬

#(`clock_period * 10 + 1);

key_Event; // 模擬按鍵事件

#10000;

key_Event; // 模擬按鍵事件

#10000;

key_Event; // 模擬按鍵事件

#10000;

key_Event; // 模擬按鍵事件

#10000;

key_Event; // 模擬按鍵事件

#10000;

$stop;

end

reg[15:0] myrand;

// 按鍵事件

task key_Event;

begin

key_down; // 按鍵按下

key_up; // 按鍵彈起

end

endtask

// 按鍵按下

task key_down;

begin

repeat(50) begin // 模擬按下時的抖動

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

//myrand = $random % 65536; // 產生 -65535 ~ 65535 隨機數

#myrand key_in = ~key_in;

end

key_in = 0;

#50000000;

end

endtask

// 按鍵彈起

task key_up;

begin

repeat(50) begin // 模擬彈起時的抖動

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

//myrand = $random} % 65536; // 產生 -65535 ~ 65535 隨機數

#myrand key_in = ~key_in;

end

key_in = 1;

#50000000;

end

endtask

endmodule

源碼中的知識點：

1、隨機數的使用

reg[15:0] myrand;

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

//myrand = $random % 65536; // 產生 -65535 ~ 65535 隨機數

2、task的使用方法，task沒有返回值。

3、初始化延時時，不延時一個完整的時鐘周期可以更加真實的模擬實際電路的波形

initial begin

rst_n = 1'b0;

key_in = 1'b1;

#(`clock_period * 10) rst_n = 1'b1;

// 延時10時鐘周期，再加1ns 錯開完整的時鐘這樣可以更加真實的模擬

#(`clock_period * 10 + 1);

五、波形圖

六、波形分析

全局分析

局部分析

七、仿真測試代碼模塊化

模擬手動按下和釋放按鍵的仿真測試模塊（這里我對代碼做了一些修改）

1、模擬按鍵的模塊代碼

/* 模塊名稱：模擬物理按鍵按下釋放

* 功能描述：利用 random 產生隨機數來產生隨機的時間模擬按鍵抖動

* 端口描述：

* i_key_in: 輸入，連接被測試模塊所檢測的按鍵信號

* o_key_end: 輸出，1:啟動模擬 0:模擬完成

*/

`timescale 1ns/1ns

`define clock_period 20

// i_key_in:按鍵信號輸入 o_key_end:啟動結束標志

module key_module_tb(i_key_in, o_key_end);

output reg i_key_in;

output reg o_key_end;

initial begin

key_start;

i_key_in = 1'b1;

key_Event;

#10000;

key_Event;

#10000;

key_Event;

#10000;

key_stop;

end

task key_start;

o_key_end <= 1'b1; // 修改端口狀態(tài)來通知其他模塊啟動測試

endtask

task key_stop;

o_key_end <= 1'b0; // 修改端口狀態(tài)來通知其他模塊測試結束

endtask

reg[15:0] myrand;

task key_Event;

begin

key_down; // 按鍵按下

key_up; // 按鍵彈起

end

endtask

task key_down;

begin

repeat(50) begin // 模擬按下時的抖動

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

//myrand = $random} % 65536; // 產生 -65535 ~ 65535 隨機數

#myrand i_key_in = ~i_key_in;

end

i_key_in = 0;

#50000000;

end

endtask

task key_up;

begin

repeat(50) begin // 模擬彈起時的抖動

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

//myrand = $random} % 65536; // 產生 -65535 ~ 65535 隨機數

#myrand i_key_in = ~i_key_in;

end

i_key_in = 1;

#50000000;

end

endtask

endmodule

該仿真代碼并不是完全照搬視頻中的代碼，我覺得既然要將仿真代碼模塊化，那么就不應該在模塊里面調用 $stop 去終止仿真執(zhí)行。這樣頂層仿真模塊，調用這些子模塊而不會因為子模塊調用 $stop 終止仿真，導致之后的仿真無法繼續(xù)。為此我利用自己目前所掌握的知識做了一點改動，增加了輸出端口，這個端口是為了標識仿真模塊啟動和停止的狀態(tài)。在頂層模塊中只需要通過always檢測下降沿就能得知模塊什么時候結束。

2、頂層仿真測試代碼

/* 實驗名稱：仿真代碼模塊化的驗證

* 功能實現：驗證按鍵消抖模塊是否符合設計要求

*/

`timescale 1ns/1ns

`define clock_period 20

module mytest_tb;

reg clk, rst_n;

wire key_flag, key_state;

wire key_in, key_end;

mytest u1(clk, rst_n, key_in, key_flag, key_state);

key_module_tb key(key_in, key_end);