按键消抖（有/无状态机）

一，理论概念

按键抖动
按键抖动：按键抖动通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。当按下一次按键，可能在A点检测到一次低电平，在B点检测到一次高电平，在C点又检测到一次低电平。同时抖动是随机，不可测的。那么按下一次按键，抖动可能会误以为按下多次按键。
按键消抖的目的
消除抖动对程序的影响
解决方案一
延迟采样：一般的抖动在20ms之内，所以我们可以通过检测下降沿后，延迟20ms再进行采样
解决方案二
信号平稳变化后延迟20ms后再进行采样，等到检测最后一个下降沿结束后再开始采样

二，项目代码

这里简单做了一个按键控制led用来简单检测按键是否消抖成功

按键消抖模块
第一个模块是不适用状态机来实现的，只需要考虑按键按下时的抖动，不考虑按键弹起时的抖动

module key_debounce (input   wire            clk     ,input   wire            rst_n   ,input   wire    [3:0]   key_in  ,output  wire    [3:0]   key_out 
);parameter MAX20ms = 20'd999_999;wire            add_cnt;//倒计时开始使能
wire            end_cnt;//倒计时结束使能
reg    [19:0]   cnt_20ms;//20ms计数寄存器
reg    [3:0]    key_r0;//同步
reg    [3:0]    key_r1;//打拍
reg             start;//下降沿检测寄存器
reg    [3:0]    flag;
reg    [3:0]    key_out_r;//输出按键信号寄存器
wire            nedge;//下降沿检测
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) beginkey_r0 <= 4'b1111;key_r1 <= 4'b1111;endelse beginkey_r0 <= key_in;key_r1 <= key_r0;end
endassign nedge = (~key_r0[0]&key_r1[0])||(~key_r0[1]&key_r1[1])||(~key_r0[2]&key_r1[2])||(~key_r0[3]&key_r1[3]);//20ms计时器
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) begincnt_20ms <= 20'd0;endelse if (nedge) begincnt_20ms <= 20'd0;endelse if (add_cnt) beginif (end_cnt) begincnt_20ms <= 20'd0;endelse begincnt_20ms <= cnt_20ms + 1'b1;endendelse begincnt_20ms <= 20'd0;end
endassign add_cnt = start;
assign end_cnt = add_cnt && (cnt_20ms == MAX20ms);//约束start
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) beginstart <= 1'b0;endelse if (nedge) beginstart <= 1'b1;endelse if (end_cnt) beginstart <= 1'b0;endelse beginstart <= start ;end
end//约束flag
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) beginflag <= 4'b1111;endelse if (nedge) beginflag <= 4'b1111;endelse if (end_cnt) beginflag <= key_r0;endelse beginflag <= 4'b1111 ;end
end
// //脉冲信号
// always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
//     if (!rst_n) begin
//         key_out_r <= 4'b1111;
//     end
//     else if (!flag[0]) begin
//         key_out_r <= 4'b1110;
//     end
//     else if (!flag[1]) begin
//         key_out_r <= 4'b1101;
//     end
//     else if (!flag[2]) begin
//         key_out_r <= 4'b1011;
//     end
//     else if (!flag[3]) begin
//         key_out_r <= 4'b0111;
//     end
//     else begin
//         key_out_r <= 4'b1111;
//     end
// end//持续信号
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) beginkey_out_r <= 4'b1111;endelse if (!flag[0]) beginkey_out_r <= 4'b1110;endelse if (!flag[1]) beginkey_out_r <= 4'b1101;endelse if (!flag[2]) beginkey_out_r <= 4'b1011;endelse if (!flag[3]) beginkey_out_r <= 4'b0111;endelse beginkey_out_r <= key_out_r;end
endassign key_out = key_out_r;
endmodule

这里可以通过控制key_out_r的状态来达到是脉冲还是持续信号

第二个是使用状态机来实现消抖，这个方法需要完整的考虑整个按键按下和弹起的全过程

module fsm_key_debounce # (parameter KEY_W = 4,TIME_20MS = 1_000_000)(input 			            clk		,input 			            rst_n	,input 		[KEY_W - 1:0]	key_in	,output 		[KEY_W - 1:0]	key_out	 
);
//参数定义
localparam IDLE  = 4'b0001;//初始状态 
localparam DOWN  = 4'b0010;//按键按下抖动
localparam HOLD  = 4'b0100;//按键按下后稳定
localparam UP    = 4'b1000;//按键上升抖动
//信号定义
reg [3:0] state_c;//现态
reg [3:0] state_n;//次态//状态转移条件定义
wire idle2down;
wire down2idle;
wire down2hold;
wire hold2up  ;
wire up2idle  ;reg [KEY_W - 1:0] key_r0;//同步
reg [KEY_W - 1:0] key_r1;//打拍
wire [KEY_W - 1:0] nedge;//下降沿
wire [KEY_W - 1:0] pedge;//上升沿//20ms计数器
reg [19:0] cnt_20ms;
wire add_cnt_20ms;
wire end_cnt_20ms;reg [KEY_W - 1:0] key_out_r;//输出寄存always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginstate_c <= IDLE;endelse beginstate_c <= state_n;end
endalways@(*)begincase(state_c)IDLE:beginif(idle2down)beginstate_n = DOWN;endelse beginstate_n = state_c;endendDOWN:beginif(down2idle)beginstate_n = IDLE;endelse if(down2hold)beginstate_n = HOLD;endelse beginstate_n = state_c;endendHOLD:beginif(hold2up)beginstate_n = UP;endelse beginstate_n = state_c;endendUP:beginif(up2idle)beginstate_n = IDLE;endelse beginstate_n = state_c;endenddefault:state_n = state_c;endcase
endassign idle2down = (state_c == IDLE) && nedge;//检测到下降沿
assign down2idle = (state_c == DOWN) && (pedge&& end_cnt_20ms);//计时未到20ms时且出现上升沿表示按键意外抖动，回到初始态
assign down2hold = (state_c == DOWN) && (~pedge && end_cnt_20ms);//计时到20ms时没有出现上升沿标志按键按下后保持稳定
assign hold2up   = (state_c == HOLD) && (pedge);//检测到上升沿跳转到上升态
assign up2idle   = (state_c == UP)   && end_cnt_20ms;//计数器计数到20ms跳转到初始态
//20ms计数器
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begincnt_20ms <= 0;endelse if(add_cnt_20ms)beginif(end_cnt_20ms)begincnt_20ms <= 0;endelse begincnt_20ms <= cnt_20ms + 1'b1;endend
end
assign add_cnt_20ms = state_c == DOWN || state_c == UP;//当按键按下或上弹时开始计数
assign end_cnt_20ms = add_cnt_20ms && ((cnt_20ms == TIME_20MS - 1) || pedge);//当计数到最大值或检测到上升沿计数器清零//同步打拍
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginkey_r0 <= {KEY_W{1'b1}};key_r1 <= {KEY_W{1'b1}};endelse beginkey_r0 <= key_in;key_r1 <= key_r0;end
endassign nedge = ~key_r0 &  key_r1;//检测下降沿
assign pedge =  key_r0 & ~key_r1;//检测上升沿//按键赋值
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginkey_out_r <= {KEY_W{1'b1}};endelse if(state_c == HOLD && hold2up)beginkey_out_r <= key_r1;endelse beginkey_out_r <= {KEY_W{1'b1}};end
end
assign key_out = key_out_r;endmodule

led灯
这里只是写了一个小的测试led不过多陈述

module fsm_key_debounce # (parameter KEY_W = 4,TIME_20MS = 1_000_000)(input 			            clk		,input 			            rst_n	,input 		[KEY_W - 1:0]	key_in	,output 		[KEY_W - 1:0]	key_out	 
);
//参数定义
localparam IDLE  = 4'b0001;//初始状态 
localparam DOWN  = 4'b0010;//按键按下抖动
localparam HOLD  = 4'b0100;//按键按下后稳定
localparam UP    = 4'b1000;//按键上升抖动
//信号定义
reg [3:0] state_c;//现态
reg [3:0] state_n;//次态//状态转移条件定义
wire idle2down;
wire down2idle;
wire down2hold;
wire hold2up  ;
wire up2idle  ;reg [KEY_W - 1:0] key_r0;//同步
reg [KEY_W - 1:0] key_r1;//打拍
wire [KEY_W - 1:0] nedge;//下降沿
wire [KEY_W - 1:0] pedge;//上升沿//20ms计数器
reg [19:0] cnt_20ms;
wire add_cnt_20ms;
wire end_cnt_20ms;reg [KEY_W - 1:0] key_out_r;//输出寄存always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginstate_c <= IDLE;endelse beginstate_c <= state_n;end
endalways@(*)begincase(state_c)IDLE:beginif(idle2down)beginstate_n = DOWN;endelse beginstate_n = state_c;endendDOWN:beginif(down2idle)beginstate_n = IDLE;endelse if(down2hold)beginstate_n = HOLD;endelse beginstate_n = state_c;endendHOLD:beginif(hold2up)beginstate_n = UP;endelse beginstate_n = state_c;endendUP:beginif(up2idle)beginstate_n = IDLE;endelse beginstate_n = state_c;endenddefault:state_n = state_c;endcase
endassign idle2down = (state_c == IDLE) && nedge;//检测到下降沿
assign down2idle = (state_c == DOWN) && (pedge&& end_cnt_20ms);//计时未到20ms时且出现上升沿表示按键意外抖动，回到初始态
assign down2hold = (state_c == DOWN) && (~pedge && end_cnt_20ms);//计时到20ms时没有出现上升沿标志按键按下后保持稳定
assign hold2up   = (state_c == HOLD) && (pedge);//检测到上升沿跳转到上升态
assign up2idle   = (state_c == UP)   && end_cnt_20ms;//计数器计数到20ms跳转到初始态
//20ms计数器
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begincnt_20ms <= 0;endelse if(add_cnt_20ms)beginif(end_cnt_20ms)begincnt_20ms <= 0;endelse begincnt_20ms <= cnt_20ms + 1'b1;endend
end
assign add_cnt_20ms = state_c == DOWN || state_c == UP;//当按键按下或上弹时开始计数
assign end_cnt_20ms = add_cnt_20ms && ((cnt_20ms == TIME_20MS - 1) || pedge);//当计数到最大值或检测到上升沿计数器清零//同步打拍
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginkey_r0 <= {KEY_W{1'b1}};key_r1 <= {KEY_W{1'b1}};endelse beginkey_r0 <= key_in;key_r1 <= key_r0;end
endassign nedge = ~key_r0 &  key_r1;//检测下降沿
assign pedge =  key_r0 & ~key_r1;//检测上升沿//按键赋值
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginkey_out_r <= {KEY_W{1'b1}};endelse if(state_c == HOLD && hold2up)beginkey_out_r <= key_r1;endelse beginkey_out_r <= {KEY_W{1'b1}};end
end
assign key_out = key_out_r;endmodule

顶层

module led_test_top (input                   clk     ,//全局时钟input                   rst_n   ,//复位input   wire     [3:0]   key     ,//2个按键output  wire     [3:0]   led         //四个led
);
wire [3:0] key_out;key_debounce key_debounce_inst( .clk    (clk),.rst_n	(rst_n),.key_in	(key),.key_out(key_out)	
);led_test led_test_inst(.clk     (clk),//全局时钟.rst_n   (rst_n),//复位.key     (key_out),//2个按键.led     (led)    //四个led
);endmodule

测试文件

`timescale 1ns/1ns
module led_tb ();reg             clk     ;
reg             rst_n   ;
reg    [3:0]    key     ;
wire    [3:0]   led     ;parameter   CYCLE = 20 ;
defparam    top_inst.key_debounce_inst.MAX_20ms = 5;always #(CYCLE/2)   clk = ~clk ;initial beginclk = 1'b0;rst_n = 1'b0;key = 4'b1111;#10rst_n = 1'b1;#10key = 4'b1110;wait(top_inst.key_debounce_inst.end_cnt)#(CYCLE*10);key = 4'b1111;#(CYCLE*10)key = 4'b1110;wait(top_inst.key_debounce_inst.end_cnt)#(CYCLE*10);key = 4'b1111;#(CYCLE*10)key = 4'b1110;wait(top_inst.key_debounce_inst.end_cnt)#(CYCLE*10);key = 4'b1111;#(CYCLE*10)key = 4'b1110;wait(top_inst.key_debounce_inst.end_cnt)#(CYCLE*10);key = 4'b1111;#(CYCLE*10)key = 4'b1101;wait(top_inst.key_debounce_inst.end_cnt)#(CYCLE*10);key = 4'b1111;#(CYCLE*10)key = 4'b0111;wait(top_inst.key_debounce_inst.end_cnt)#(CYCLE*10);key = 4'b1111;#(CYCLE*10)$stop;endled_test_top top_inst(.clk    (clk),.rst_n  (rst_n),.key    (key),.led    (led)
);
endmodule