基于FPGA按键控制LED-ISE操作工具

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按键控制LED-ISE操作工具

利用按键控制LED的要求为：按一下按键，改变一下LED的状态。按键按一次，LED由熄灭变为点亮，按键再按一次，LED由点亮变为熄灭。

硬件介绍

开发板上面有四个按键，当按键按下时，将对应的网络置成低电平；当按键释放时，将对应的网络置成高电平。

开发板上面有四个LED发光二极管，FPGA输出高电平时，LED点亮；FPGA输出低电平时，LED熄灭。

设计原理

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。

按键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理，必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键的状态，并且必须判别到键释放稳定后再作处理。

抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～10ms。这是一个很重要的时间参数，在很多场合都要用到。按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒。

我们可以在按键和主控设备之间加入消抖电路（消抖芯片、电容等），此种方法会增大PCB面积和花费一定的物料费用。大多数的板子直接将按键和主控设备相连接，将带有抖动的波形输入到主控设备内部，由内部进行消抖处理。

单片机一般采用延迟重采样的方式进行消抖。当检测到信号为低时，延迟一段时间（一般为20ms），再次检测信号是否为低，如果为低，则证明按键按下，否则认为按键没有按下，继续下一次检查。

在FPGA设计时，笔者推荐另外一种方式：持续采样。当检测到信号持续为低10ms，认为按键按下；当检测到信号持续为高10ms，认为按键释放。

在设计时，需要考虑到外部的按键信号为异步信号，需要进行同步处理。具体请参考附录2 FPGA中的同步信号、异步信号和亚稳态。

每次按键按下的时间的长短不一，经过消抖后，低电平的持续长度长短也不一样。此长度远远大于一个时钟周期的长度。要求每次按下只能够切换一次LED的状态，所以不能够直接用此电平当做输出翻转的使能。

经过消抖的波形，每次按下只有一个下降沿（按键按下时）、只有一个上升沿（按键释放时）。所以通过检测下降沿（上升沿）的变化，产生一个新的信号------脉冲（一个时钟周期的脉冲），利用此脉冲作为翻转的使能即可。利用检测到下降沿的脉冲翻转时，LED的状态会在按下时就会改变；利用检测到上升沿的脉冲翻转时，LED的状态会在释放时发生改变。本设计中采用检测到下降沿的脉冲进行翻转。

设计架构和信号说明

本设计模块命名为key_led。

在设计中，共分为三个模块。

key_filter（按键消抖模块）：将外部输入的带有抖动的波形进行消抖。

edge_check（边沿检测模块）：将消抖后的波形进行下降沿检测，并产生对应的脉冲。

led_ctrl（led控制模块）：利用脉冲，翻转led的输出状态。

key_filter设计实现

本设计采用状态机实现，状态机的具体原理请参看相关文章。

对key_n信号为异步信号，需要进行同步两拍，命名为key_n_r和key_n_rr。状态机的判断信号为key_n_rr信号。

本设计共分为四个状态，KEY_OFF（按键释放状态），SHAKE_ON（按键按下时抖动判断状态），KEY_ON（按键按下状态），SHAKE_OFF（按键释放时抖动判断状态）。

按键没有按下时，一直KEY_OFF状态，当按键信号变为低电平时，就转入SHAKE_ON状态，检测低电平的持续时间。如果持续时间没有达到T_10ms就变为高电平，则清零计数器并返回KEY_OFF状态；如果持续时间没有达到T_10ms并且也一直为低电平，则继续在SHAKE_ON状态计数；如果持续时间达到T_10ms并且为低电平，则清零计数器并进入KEY_ON状态。在KEY_ON状态，外部输入为低电平时，则继续在KEY_ON状态；如果外部输出为高电平，则转入SHAKE_OFF状态。在SHAKE_OFF状态，如果持续时间没有到达T_10ms就变为低电平，则清零计数器并返回KEY_ON状态；如果持续时间没有达到T_10ms并且一直为高电平，则继续在SHAKE_OFF状态计数；如果持续时间达到T_10ms并且一直为高电平，则清零计数器并转入KEY_OFF状态。

在KEY_OFF和SHAKE_ON状态，认为按键没有按下；在KEY_ON和SHAKE_OFF状态，认为按键为按下；

状态转移图如下：

设计代码为：

module key_filter (
 
 input   wire   clk,
 input   wire   rst_n,
 
 input   wire   key_n,
 
 output  reg   okey_n
);


 parameter T_10ms  = 500_000;


 localparam  KEY_OFF = 4'b0001;
 localparam  SHAKE_ON = 4'b0010;
 localparam  KEY_ON = 4'b0100;
 localparam  SHAKE_OFF = 4'b1000;
 
 reg     [3:0]   c_state;
 reg     [3:0]   n_state;
 reg          key_n_r;
 reg          key_n_rr;
 reg     [18:0]  cnt;
 
 always @ (posedge clk) key_n_r <= key_n;
  always @ (posedge clk) key_n_rr <= key_n_r;
  
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0)
      c_state <= KEY_OFF;
    else
      c_state <= n_state;
  end
  
  always @ * begin
    case (c_state)
      KEY_OFF    :    begin
        if (key_n_rr == 1'b1)
          n_state = KEY_OFF;
        else
          n_state = SHAKE_ON;
      end  
    
      SHAKE_ON    :    begin
        if (key_n_rr == 1'b1)
          n_state = KEY_OFF;
        else
          if (cnt < T_10ms - 1'b1)
            n_state = SHAKE_ON;
          else
            n_state = KEY_ON;
      end
    
      KEY_ON    :    begin
        if (key_n_rr == 1'b0)
          n_state = KEY_ON;
        else
          n_state = SHAKE_OFF;
      end
      
      SHAKE_OFF  :    begin
        if (key_n_rr == 1'b0)
          n_state = KEY_ON;
        else
          if (cnt < T_10ms - 1'b1)
            n_state = SHAKE_OFF;
          else
            n_state = KEY_OFF;
      end
      
      default  :    n_state = KEY_OFF;
    endcase
  end
  
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0)
      cnt <= 19'd0;
    else
      case (c_state)
        KEY_OFF    :    begin
          cnt <= 19'd0;
        end
      
        SHAKE_ON  :    begin
          if (key_n_rr == 1'b0 && cnt < T_10ms - 1'b1)
        cnt <= cnt + 1'b1;
      else
        cnt <= 19'd0;
        end
        
        KEY_ON    :    begin
          cnt <= 19'd0;
        end
        
        SHAKE_OFF  :    begin
          if (key_n_rr == 1'b1 && cnt < T_10ms - 1'b1)
        cnt <= cnt + 1'b1;
      else
        cnt <= 19'd0;
        end
        
        default    :    cnt <= 19'd0;
      endcase
  end  
  
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0)
      okey_n <= 1'b1;
    else
      if (c_state == KEY_ON || c_state == SHAKE_OFF)
        okey_n <= 1'b0;
      else
        okey_n <= 1'b1;
  end


endmodule

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localparam可以定义参数，与parameter的区别在于，parameter定义的参数可以在例化时进行参数修改，而localparam定义的参数在例化时则不能够修改。定义状态机状态时，一般采用localparam的定义方式。在不希望别人修改参数时，也可以定义为localparam。

edge_check设计实现

在一个波形中，如果当前时刻为低电平，上一个时刻为高电平，则认为波形中有一个下降沿；如果当前时刻为高电平，上一个时刻为低电平，则认为波形中有一个上升沿。

在数字电路设计时，可以采用寄存器来存储上一个时刻的值。

在寄存器电路中，Q的值，永远是上一个CLK的有效边沿所采样的D值。因此Q为上一时刻值，而D为当前时刻的值。

设计代码为：

module edge_check (


 input   wire      clk,  // 50MHz 
 input   wire      wave, // wave in
 
 output  wire      flag_pos, // flag - posedge
 output  wire      flag_neg // flag - negedge
);


 reg            wave_r;
 
 always @ (posedge clk) wave_r <= wave;
  
//  assign flag_pos = (wave == 1'b1 && wave_r == 1'b0) ? 1'b1 : 1'b0;
  assign flag_pos = wave & (~wave_r);
  
//  assign flag_neg = (wave == 1'b0 && wave_r == 1'b1) ? 1'b1 : 1'b0;
  assign flag_neg = (~wave) & wave_r;


endmodule

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在设计中，注释掉的两行代码和其下方的一行代码的功能是相同的。例：对于上升沿脉冲来说，现在为1，过去为0即为上升沿。由于寄存器每个时钟周期都刷新，满足这个要求的只会存在一个时钟周期，所以flag_pos为一个时钟周期的脉冲。

led_ctrl设计实现

本模块中，利用脉冲进行led状态的翻转即可。

设计代码为：

module led_ctrl (


 input   wire     clk,
 input   wire     rst_n,
 
 input   wire     flag,
 
 output  reg      led
);


 always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
  if (rst_n == 1'b0)
   led <= 1'b0;
    else
      if (flag == 1'b1)
        led <= ~led;
      else  
        led <= led;
  end


endmodule

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key_led设计实现

本模块只是负责将上述的三个模块按照架构图的方式进行连接，形成最终的设计。

设计代码为：

module key_led (


 input  wire      clk,
 input  wire      rst_n,
 input  wire      key_n,
 
 output wire      led
);


 wire          okey_n;
   wire                      flag;


key_filter key_filter_inst(
 
.clk  (clk),
.rst_n  (rst_n),
  
.key_n  (key_n),
  
.okey_n  (okey_n)
);
 
 edge_check edge_check_inst(


  .clk     (clk),  // 50MHz 
  .wave     (okey_n), // wave in
  
  .flag_pos   (), // flag - posedge
  .flag_neg   (flag) // flag - negedge
 );


 led_ctrl led_ctrl_inst(


  .clk     (clk),
  .rst_n    (rst_n),
  
  .flag     (flag),
  
  .led     (led)
 ); 
 
endmodule

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在设计中，采用了按键按下时的脉冲（检测到下降沿的脉冲），按键按下时led的状态即可进行翻转。

功能仿真

在仿真时，将按键消抖中的T_10ms的参数修改为20，即持续时间不超过400ns都不认为是有效按下或者抬起。

仿真代码如下：

将okey_n、flag信号添加出来。

`timescale 1ns/1ps


module key_led_tb;


 reg       clk;
 reg       rst_n;
 reg       key_n;
 
 wire      led;
 
 key_led key_led_inst(


   .clk    (clk),
   .rst_n   (rst_n),
   .key_n   (key_n),
   
   .led    (led)
  );


 initial clk = 1'b0;
 always # 10 clk = ~clk;
 
 initial begin
  rst_n = 1'b0;
  key_n = 1'b1;
  # 201
  rst_n = 1'b1;
  # 200
//-------------- on shake-------------  
  @ (posedge clk);
  # 2;
  key_n = 1'b0;
  # 320
  @ (posedge clk);
  # 2;
  key_n = 1'b1;
  # 159
  @ (posedge clk);
  # 2;
  key_n = 1'b0;
  # 320
  @ (posedge clk);
  # 2;
  key_n = 1'b1;
  # 159
//--------------------------------------
//---------key on ---------------------  
  @ (posedge clk);
  # 2;
  key_n = 1'b0;
  # 5000
//------------------------------------  
//---------off shake ----------------
  @ (posedge clk);
  # 2;
  key_n = 1'b0;
  # 320
  @ (posedge clk);
  # 2;
  key_n = 1'b1;
  # 159
  @ (posedge clk);
  # 2;
  key_n = 1'b0;
  # 320
//-------------------------------------
//-----------key off----------------  
  @ (posedge clk);
  # 2;
  key_n = 1'b1;
  # 10000
  $stop;
 end


endmodule

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通过RTL仿真图，可以清晰的看到okey_n信号将key_n的抖动滤除掉；flag信号为okey_n信号的下降沿时所产生的脉冲；led在flag信号为高时，反正翻转。

分配管脚、下板测试之前，应该将按键消抖里面的T_10ms参数重新改为500_000，否则下板后可能会达不到消抖的效果。

下板观察现象：

下板成功后，可以修改在设计中使用上升沿的脉冲，得到的现象应该是按键释放时，LED的状态发生反转。

切记：每次修改代码，一定要进行重新编译，否则更改将不会生效。