FPGA入门基础之按键消抖实验

在FPGA（现场可编程门阵列）的入门学习中，按键消抖实验是一个既基础又实用的实验。由于机械按键在按下或释放的瞬间会出现不稳定的抖动现象，这种抖动会导致系统误判按键的状态。因此，在FPGA设计中，对按键信号进行消抖处理是十分必要的。本文将介绍FPGA入门基础中的按键消抖实验，并附上相应的代码示例。

一、按键消抖原理

按键消抖的基本原理是通过延时或检测按键的稳定状态来消除抖动。在FPGA中，我们可以采用软件消抖的方法，即使用状态机或延时电路来检测按键的稳定状态。具体来说，当检测到按键按下时，不是立即判断按键状态，而是等待一段时间后再次检测按键状态，如果仍然处于按下状态，则判断为有效按键输入。

二、FPGA按键消抖实验设计

1. 硬件连接

首先，我们需要将FPGA开发板上的按键与FPGA的I/O口进行连接。通常，FPGA开发板上会有专门的按键接口，我们可以直接使用这些接口。假设我们将按键连接到FPGA的某个GPIO（通用输入输出）端口上。

2. FPGA代码设计

在FPGA代码中，我们需要实现按键消抖的逻辑。以下是一个简单的按键消抖实验的Verilog代码示例：

verilog复制代码

module Keypad_Debounce(

input clk, // 时钟信号

input rst_n, // 复位信号，低电平有效

input key_in, // 按键输入信号

output reg key_out // 按键输出信号，稳定后的按键状态

);

// 定义消抖延时计数器

reg [15:0] debounce_cnt;

// 按键状态标志位

reg key_pressed;

// 按键消抖状态机

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if (!rst_n) begin

// 复位时初始化变量

debounce_cnt <= 0;

key_pressed <= 0;

key_out <= 0;

end else begin

// 检测按键按下

if (!key_in && !key_pressed) begin

// 开始消抖计时

debounce_cnt <= 1;

key_pressed <= 1;

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

// 按键持续按下且未达到最大延时，继续计时

debounce_cnt <= debounce_cnt + 1;

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

// 按键稳定按下，输出有效信号

key_out <= 1;

end else if (key_in) begin

// 按键释放，重置消抖计数器和状态标志位

debounce_cnt <= 0;

key_pressed <= 0;

key_out <= 0;

end

end

end

endmodule

在上面的代码中，我们使用了一个16位的计数器debounce_cnt来实现消抖延时。当检测到按键按下时，我们开始计数，直到达到一定的延时时间（本例中为255个时钟周期）。如果在这段时间内按键一直保持按下状态，则判断为有效按键输入，将key_out置为1。如果在这段时间内按键释放，或者达到最大延时时间后按键仍未释放，则判断为无效按键输入，重置消抖计数器和状态标志位。

三、实验步骤与注意事项

1. 将FPGA开发板上的按键与FPGA的GPIO端口进行连接。

2. 在FPGA开发环境中编写并编译上述代码。

3. 将编译生成的配置文件下载到FPGA中。

4. 观察FPGA上的LED或其他输出设备，验证按键消抖功能是否正常工作。

注意事项：

• 在实际应用中，消抖延时时间需要根据具体的按键和电路条件进行调整。过短的延时时间可能无法完全消除抖动，而过长的延时时间则可能导致系统响应变慢。

• 为了提高系统的稳定性和可靠性，可以在FPGA代码中添加更多的保护机制，如按键长按检测、多次按键确认等。