在FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）的入門(mén)學(xué)習(xí)中，按鍵消抖實(shí)驗(yàn)是一個(gè)既基礎(chǔ)又實(shí)用的實(shí)驗(yàn)。由于機(jī)械按鍵在按下或釋放的瞬間會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的抖動(dòng)現(xiàn)象，這種抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤判按鍵的狀態(tài)。因此，在FPGA設(shè)計(jì)中，對(duì)按鍵信號(hào)進(jìn)行消抖處理是十分必要的。本文將介紹FPGA入門(mén)基礎(chǔ)中的按鍵消抖實(shí)驗(yàn)，并附上相應(yīng)的代碼示例。

一、按鍵消抖原理

按鍵消抖的基本原理是通過(guò)延時(shí)或檢測(cè)按鍵的穩(wěn)定狀態(tài)來(lái)消除抖動(dòng)。在FPGA中，我們可以采用軟件消抖的方法，即使用狀態(tài)機(jī)或延時(shí)電路來(lái)檢測(cè)按鍵的穩(wěn)定狀態(tài)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)檢測(cè)到按鍵按下時(shí)，不是立即判斷按鍵狀態(tài)，而是等待一段時(shí)間后再次檢測(cè)按鍵狀態(tài)，如果仍然處于按下?tīng)顟B(tài)，則判斷為有效按鍵輸入。

二、FPGA按鍵消抖實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1. 硬件連接

首先，我們需要將FPGA開(kāi)發(fā)板上的按鍵與FPGA的I/O口進(jìn)行連接。通常，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)板上會(huì)有專(zhuān)門(mén)的按鍵接口，我們可以直接使用這些接口。假設(shè)我們將按鍵連接到FPGA的某個(gè)GPIO（通用輸入輸出）端口上。

2. FPGA代碼設(shè)計(jì)

在FPGA代碼中，我們需要實(shí)現(xiàn)按鍵消抖的邏輯。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的按鍵消抖實(shí)驗(yàn)的Verilog代碼示例：

verilog復(fù)制代碼

module Keypad_Debounce(

input clk, // 時(shí)鐘信號(hào)

input rst_n, // 復(fù)位信號(hào)，低電平有效

input key_in, // 按鍵輸入信號(hào)

output reg key_out // 按鍵輸出信號(hào)，穩(wěn)定后的按鍵狀態(tài)

);

// 定義消抖延時(shí)計(jì)數(shù)器

reg [15:0] debounce_cnt;

// 按鍵狀態(tài)標(biāo)志位

reg key_pressed;

// 按鍵消抖狀態(tài)機(jī)

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if (!rst_n) begin

// 復(fù)位時(shí)初始化變量

debounce_cnt <= 0;

key_pressed <= 0;

key_out <= 0;

end else begin

// 檢測(cè)按鍵按下

if (!key_in && !key_pressed) begin

// 開(kāi)始消抖計(jì)時(shí)

debounce_cnt <= 1;

key_pressed <= 1;

end else if (!key_in && debounce_cnt < 255) begin

// 按鍵持續(xù)按下且未達(dá)到最大延時(shí)，繼續(xù)計(jì)時(shí)

debounce_cnt <= debounce_cnt + 1;

end else if (!key_in && debounce_cnt == 255) begin

// 按鍵穩(wěn)定按下，輸出有效信號(hào)

key_out <= 1;

end else if (key_in) begin

// 按鍵釋放，重置消抖計(jì)數(shù)器和狀態(tài)標(biāo)志位

debounce_cnt <= 0;

key_pressed <= 0;

key_out <= 0;

end

end

end

endmodule

在上面的代碼中，我們使用了一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器debounce_cnt來(lái)實(shí)現(xiàn)消抖延時(shí)。當(dāng)檢測(cè)到按鍵按下時(shí)，我們開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到達(dá)到一定的延時(shí)時(shí)間（本例中為255個(gè)時(shí)鐘周期）。如果在這段時(shí)間內(nèi)按鍵一直保持按下?tīng)顟B(tài)，則判斷為有效按鍵輸入，將key_out置為1。如果在這段時(shí)間內(nèi)按鍵釋放，或者達(dá)到最大延時(shí)時(shí)間后按鍵仍未釋放，則判斷為無(wú)效按鍵輸入，重置消抖計(jì)數(shù)器和狀態(tài)標(biāo)志位。

三、實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)

1. 將FPGA開(kāi)發(fā)板上的按鍵與FPGA的GPIO端口進(jìn)行連接。

2. 在FPGA開(kāi)發(fā)環(huán)境中編寫(xiě)并編譯上述代碼。

3. 將編譯生成的配置文件下載到FPGA中。

4. 觀察FPGA上的LED或其他輸出設(shè)備，驗(yàn)證按鍵消抖功能是否正常工作。

注意事項(xiàng)：

? 在實(shí)際應(yīng)用中，消抖延時(shí)時(shí)間需要根據(jù)具體的按鍵和電路條件進(jìn)行調(diào)整。過(guò)短的延時(shí)時(shí)間可能無(wú)法完全消除抖動(dòng)，而過(guò)長(zhǎng)的延時(shí)時(shí)間則可能導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)變慢。

? 為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，可以在FPGA代碼中添加更多的保護(hù)機(jī)制，如按鍵長(zhǎng)按檢測(cè)、多次按鍵確認(rèn)等。