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基础-2-按键检测与消抖

2.1 章节导读

在数字电路中，按键是最常用的人机交互输入方式。然而，机械式按键在按下或释放过程中会产生抖动信号，直接读取会引起误触发。本章我们将实现一个可靠的按键检测模块，完成信号的消抖和下降沿检测，以便为更复杂的模块如状态机切换、模式转换等提供稳定的触发信号。

2.2 理论学习

由于机械结构的限制，按键在触发的一瞬间，其接触点会发生数次抖动，导致输出信号在0和1之间反复跳变。这种现象称为“抖动”。为避免系统错误响应，需要对按键信号进行“消抖”处理。

常见的软件消抖方法包括定时器延时，而在软件中通常使用计数器。在本实验中，采用对输入信号进行采样判断，当其状态发生变化时开始计数，若持续稳定一定时长后，才认为按键真正改变。

在此基础上，若需检测按键的“按下事件”，则还需进一步提取其上升沿（或下降沿）作为一个单周期的“有效触发”信号。

2.3 实战演练

2.3.1 实验目标

实现一个具有消抖功能的按键检测模块，并进一步提取其下降沿触发信号，输出一个单时钟周期宽度的 btn_flag 信号，用于后级逻辑判断。同时为了使实验现象更加明显，设置8位的IO输出连接led，当检测到 btn_flag 信号后8位信号led会自加1。

2.3.2 硬件资源

本实验使用试验箱上普通按键输入资源，输入信号经过电平转换后进入 FPGA 芯片，输出信号可连接状态指示灯以观察效果。

根据原理图可知实验板的按键按下是低电平，不按为高电平。

图1.实验板的按键资源

图2.实验板按键原理图

图3.远程实验界面按键

2.3.3 程序设计

为了实现稳定的按键检测逻辑，设计流程如下：

对输入 btn 进行采样，形成 btn_temp；
若检测到 btn_temp 与当前 btn 状态不一致，则开始计数；
若计数器 cnt 达到设定阈值（如255），则认为按键状态稳定，更新 btn_ggle；
实验板的按键按下是低电平，不按为高电平。所以对 btn_ggle 打两拍形成 btn_flag_d0 和 btn_flag_d1，再判断其下降沿，输出一个时钟周期的btn_flag；
检测到信号btn_flag后，信号led <= led + 1。

该模块的参考代码如下（btn_ggle.v）：

module btn_ggle(
    input wire clk,
    input wire rstn,
    input wire btn,
    output wire btn_flag,
    output reg [7:0] led
);
reg btn_ggle;
reg btn_flag_d0,btn_flag_d1;
reg [7:0] cnt;
reg btn_temp;
//检测按键状态
always @(posedge clk) btn_temp <= btn;
//按键状态改变时开始计数
always @(posedge clk) begin
    if(~rstn) cnt <= 0;
    else if(btn_temp != btn) cnt <= 1;
    else if(cnt != 0) cnt <= cnt + 1;
    else cnt <= 0;
end
//计数到255时认为按键值稳定
always @(posedge clk) begin
    if(~rstn) btn_ggle <= btn;
    else if(cnt == 8'hFF) btn_ggle <= btn_temp;
    else btn_ggle <= btn_ggle;
end
//对btn_ggle信号延迟打拍
always @(posedge clk) begin
    if(~rstn) begin
        btn_flag_d0 <= 0;
        btn_flag_d1 <= 0;
    end
    else begin
        btn_flag_d0 <= btn_ggle;
        btn_flag_d1 <= btn_flag_d0;
    end
end
//btn_flag检测btn_ggle的下降沿
assign btn_flag = ~btn_flag_d0 && btn_flag_d1;
//检测到按键按下的标志位（btn_flag），led会加1
always @(posedge clk) begin
    if(~rstn) led <= 0;
    else if(btn_flag) led <= led + 1;
    else led <= led;
end
endmodule

2.3.4 仿真验证

为验证功能的正确性，设计测试平台（btn_ggle_tb.v），代码如下：

`timescale 1ns/1ns
module btn_ggle_tb;

reg clk;
reg rstn;
reg btn;
wire btn_flag;
wire [7:0] led;
btn_ggle btn_ggle_inst (
    .clk(clk),
    .rstn(rstn),
    .btn(btn),
    .btn_flag(btn_flag),
    .led(led)
);

// 27MHz 时钟周期约为 37.037ns，取37ns近似
always #(500/27) clk = ~clk; // 半周期18.5ns ≈ 27MHz

initial begin
    // 初始化
    clk = 0;
    rstn = 0;
    btn = 1;        // 按键默认未按下，高电平有效

    // 释放复位
    #200;
    rstn = 1;

    // 模拟带抖动的按下过程
    #1000  btn = 0;
    #100   btn = 1; // 抖动
    #100   btn = 0;
    #100   btn = 1;
    #100   btn = 0;
    // 稳定按下
    #100000 btn = 0;

    // 模拟抖动松开过程
    #300000 btn = 1;
    #100    btn = 0;
    #100    btn = 1;
    #100    btn = 0;
    #100    btn = 1;
    // 稳定松开
    #100000 btn = 1;

    // 第二次按下
    #300000 btn = 0;
    #100000 btn = 0;

    #300000 $finish;
end

endmodule

利用ModuleSim进行仿真，部分仿真波形如下图所示：

图4.仿真波形（一）

图5.仿真波形（二）

图6.仿真波形（三）

从仿真波形二和三中，我们可以看到，当我们模拟按键按下（1 ----> 0），当按键抖动（btn在0和1之间来回跳转）时，cnt的值会变回1重新开始计数，直到按键稳定按下（btn的值稳定不变，为0），cnt稳定增加，当cnt的值增加到8‘hFF时，认为按键按下，btn_ggle存储此时的按键状态，同时btn_flag检测到下降沿，拉高一个时钟周期。led信号也加一。

图7.仿真波形（四）

图8.仿真波形（五）

从波形三和四中，我们可以看到，当模拟按键抬起时（0 ----> 1），按键的抖动也会使cnt重新计数，直到稳定，cnt计数到8’hFF时，更新btn_ggle，由于按键是抬起，btn_flag不变，led不变。

2.3.5 上板验证

完成仿真后，可进行上板验证。端口连接如下表所示：

端口名称	类型	说明
clk	Input	27MHz 时钟
rstn	Input	低电平复位
btn	Input	外部按钮
btn_flag	Output	上升沿标志
led[0]	Output	驱动led
led[1]	Output	驱动led
led[2]	Output	驱动led
led[3]	Output	驱动led
led[4]	Output	驱动led
led[5]	Output	驱动led
led[6]	Output	驱动led
led[7]	Output	驱动led

将.sbit文件上传至平台，并下载到实验板，多次按下按键，观察led灯跳转，如果按下1次按键led只跳转一次，那么说明达成实验目标。

2.4 章末总结

本实验通过一个典型的按键检测例子，介绍了数字系统中常用的消抖和边沿检测方法，掌握了如何利用计数器和触发器组合进行抖动抑制与事件捕捉。在更复杂的设计中，这类基础模块可作为控制逻辑的可靠触发信号源，具有广泛应用价值。

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