一、设计需求

设计一个按键控制led的功能模块，即一个按键控制一个led。随着每一次按键的按下，led就按照亮、灭交替显示。

二、设计思路

本次使用的按键为机械弹性开关按键，但由于机械触点的弹性作用，按键闭合时并不能马上接通，同样按键断开时也不能马上断开，故在按键闭合和断开的瞬间均伴随着一连串的抖动，如图1所示。而抖动的时间由按键的机械特性决定，一般为5ms~10ms。为了避免由于按键抖动而引起的误操作，需要对按键进行消抖。

图1 按键抖动

按键消抖包括硬件消抖和软件消抖。当按键数目较少时，可采用硬件消抖如RS触发器，否则将占大面积的PCB；当按键数目较多时，采用软件消抖，利用程序避开按键的抖动期。

本设计采用软件消抖的方案，即检测按键是否按下，当检测到按键按下时，延时10ms，再检测按键是否真的按下了，若不是真的按下则返回继续检测按键是否按下，若是真的按下了则进行按键按下处理，接着检测按键是否松开，当检测到按键松开时，延时10ms，再检测按键是否真的松开了，若不是真的松开则返回继续检测按键是否松开，若是真的松开了则进行按键松开处理，接着再返回检测按键是否按下，就这样不断的判断按键按下与否和松开与否。根据这种思路，给出按键检测和消抖流程图，如图2所示。

图2 按键检测和消抖流程图

图3所示为红色飓风E45开发板上按键的电路原理图。从原理图可以看出，按键按下时为低电平，按键断开时为高电平。

图3 E45中按键电路原理图

图4所示为本设计按键控制led的总体框架，由三个模块组成，分别为子模块KEY_Decounce、led_ctrl和顶层模块key_ctrl_led。这里重点介绍按键检测和消抖。图5所示为KEY_Decounce模块中所用到的按键检测与消抖状态机。状态机中有四个状态，分别为IDLE、JITTER1、DEAL和JITTER2。在IDLE状态中检测按键是否按下，若按下即data!=1则跳转到JITTER1状态中延时10ms进行消抖后再判断按键是否真的按下了，若为真即data!=1则跳转到DELA状态中进行按键按下处理，否则即data==1则返回IDLE状态中继续检测按键是否按下，在DEAL状态中除了按键按下处理外还要检测按键是否松开，若检测到按键松开即data==1则跳转到JITTER2状态中延时10ms进行消抖后再判断按键是否真的松开了，若为真即data==1则跳转到IDLE状态继续检测按键是否按下，否则返回DEAL状态中继续判断按键是否松开。

图4 按键控制led

图5 按键检测与消抖状态机

三、设计实现

key_ctrl_led顶层模块：

/**********************************************版权申明************************************************* ** 电子技术应用网站, CrazyBird ** http://www.chinaaet.com, http://blog.chinaaet.com/crazybird ** **--------------------------------------------文件信息-------------------------------------------------- ** 文件名： key_ctrl_led.v ** 创建者： CrazyBird ** 创建日期： 2015-7-12 ** 版本号: v1.0 ** 功能描述： 顶层模块将按键消抖模块和led控制模块连接起来，完成按键控制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 ); //****************************************************************************** // 参数定义 //****************************************************************************** // 修改以下参数以满足需求 parameter CLK_CYCLE = 20; // 时钟周期，单位ns // 修改以上参数以满足需求 //****************************************************************************** // 输入/输出端口定义 //****************************************************************************** input rst_n; // 全局复位信号，低电平有效 input clk; // 全局时钟信号，50MHz input key_data; // 键值输入 output led_data; // led状态 //****************************************************************************** // 变量定义 //****************************************************************************** wire key_flag; //****************************************************************************** // 模块的连接 //****************************************************************************** // 例化KEY_Debounce模块 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模块 led_ctrl u_led_ctrl ( .rst_n ( rst_n ), .clk ( clk ), .led_en ( key_flag ), .led_data ( led_data ) ); //****************************************************************************** endmodule //*********************************************文件结束*****************************************************

KEY_Debounce模块：

/**********************************************版权申明************************************************* ** 电子技术应用网站, CrazyBird ** http://www.chinaaet.com, http://blog.chinaaet.com/crazybird ** **--------------------------------------------文件信息-------------------------------------------------- ** 文件名： KEY_Debounce.v ** 创建者： CrazyBird ** 创建日期： 2015-7-12 ** 版本号: v1.0 ** 功能描述： 该模块主要负责完成按键的检测和消抖 ** ********************************************************************************************************/ // synopsys translate_off `timescale 1 ns / 1 ps // synopsys translate_on module KEY_Debounce( rst_n, clk, key_data, key_flag ); //****************************************************************************** // 参数定义 //****************************************************************************** // 修改以下参数以满足需求 parameter CLK_CYCLE = 20; // 时钟周期，单位ns parameter T0 = 10_000_000; // 10ms，按键消抖时间 // parameter T0 = 1000; // 测试用 parameter DELAY = 19; // 10ms计数器位宽 // 修改以上参数以满足需求 // 以下参数不要修改 parameter T0_VAL = (T0/CLK_CYCLE)-1; // 10ms，按键消抖时间 parameter IDLE = 2'b00, JITTER1= 2'b01, DEAL = 2'b10, JITTER2= 2'b11; // 以上参数不要修改 //****************************************************************************** // 输入/输出端口定义 //****************************************************************************** input rst_n; // 全局复位信号，低电平有效 input clk; // 全局时钟信号，50MHz input key_data; // 键值输入 output reg key_flag; // 按键按下标志位 //****************************************************************************** // 变量定义 //****************************************************************************** wire delay_cnt_done; //****************************************************************************** // 实现按键检测和消抖的状态机 //****************************************************************************** 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 //****************************************************************************** // 计数器的实现 //****************************************************************************** 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 //*********************************************文件结束*****************************************************

led_ctrl模块：

/**********************************************版权申明************************************************* ** 电子技术应用网站, CrazyBird ** http://www.chinaaet.com, http://blog.chinaaet.com/crazybird ** **--------------------------------------------文件信息-------------------------------------------------- ** 文件名： led_ctrl.v ** 创建者： CrazyBird ** 创建日期： 2015-7-12 ** 版本号: v1.0 ** 功能描述： 该模块根据按键每次按下时将led的状态取反 ** ********************************************************************************************************/ // synopsys translate_off `timescale 1 ns / 1 ps // synopsys translate_on module led_ctrl( rst_n, clk, led_en, led_data ); //****************************************************************************** // 输入/输出端口定义 //****************************************************************************** input rst_n; // 全局复位信号，低电平有效 input clk; // 全局时钟信号，50MHz input led_en; // led状态取反使能信号 output reg led_data; // led状态 //****************************************************************************** // led状态控制 //****************************************************************************** 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 //*********************************************文件结束*****************************************************

modelsim仿真结果：

从仿真结果看，本设计已实现了按键控制led的功能，同时也达到了按键消抖的效果。

最后对设计进行综合、布局布线、生成bit流文件、下载在红色飓风板子上，然后通过控制led灯的亮与灭。