FPGA如何实现按键除抖

`假设你将一个机械按键开关与FPGA相连，你可能会遇上一些麻烦。
下图是一个按键开关按下10次的结果。

【问题所在】
要想将开关与FPGA相连，你的连接方式可能是这样的：

但机械开关最大的问题就在于它们会抖动！
当按下按键时，要是幸运的话结果会如图：

这是比较罕见的，比较常见的应该如下图：

【FPGA计数器】
假设你在FPGA中加入了一个计数器，让后将其显示出来。如下图：

按下10次得到的结果可能和本文开头的图片一样。

【解决办法】
解决办法之一就是加入一个R/C硬件滤波器，然后给FPGA加入一个施密特触发器，但其实还有一个更简单的办法。

FPGA滤波器

FPGA在简单算法上使用起来相当顺手。我们用FPGA的计数器来看按键按下与松开的时间有多长。只有当该计数器超值时，我们才决定该按键改变了状态。

该图中PB是按键信号（图中为低电平有效）。这样的设计可能会有一些毛刺，因为它没有与任何时钟同步。所以目前还是无法使用的。

我们要将PB与一个时钟同步（本例中使用20MHz），然后创建三个按键输出，全部都是无毛刺且与时钟同步的。每个输出都是高电平有效，且表示按键的三个不同状态（按键状态，刚按下状态，刚松开状态）。

module PushButton_Debouncer(
input clk,
input PB,
output reg PB_state,
output PB_down,
output PB_up
);
reg PB_sync_0; always @(posedge clk) PB_sync_0 <= ~PB; // invert PB to make PB_sync_0 active high
reg PB_sync_1; always @(posedge clk) PB_sync_1 <= PB_sync_0;
reg [15:0] PB_cnt;
wire PB_idle = (PB_state==PB_sync_1);
wire PB_cnt_max = &PB_cnt; // true when all bits of PB_cnt are 1's
always @(posedge clk)
if(PB_idle)
PB_cnt <= 0; // nothing's going on
else
begin
PB_cnt <= PB_cnt + 16'd1;
if(PB_cnt_max) PB_state <= ~PB_state;
end
assign PB_down = ~PB_idle & PB_cnt_max & ~PB_state;
assign PB_up = ~PB_idle & PB_cnt_max & PB_state;
endmodule

我们用了一个16位计数器，在20MHz的系统时钟下，只要3ms就可以超值。在用户的眼中看来，3ms几乎是不可察觉了。但好在毛刺没了。按键有多少毛刺以及系统时钟速度，都决定了你如何调整计数器的位宽。
`

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张玉兰

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