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SWJTU 数电实验报告——按键防抖动_数电实验按键防抖动设计

作者：笔触狂放9 | 2024-06-11 22:17:29

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数电实验按键防抖动设计

实验内容：

一、 实验目的

1. 学习有限状态机的设计。 2. 学习信号边沿抖动的消除方法。

二、 基本实验内容

由于金属弹性形变的原因，按键/开关在状态切换 过程中总是会有或多或少的抖动情况，有时这种抖动 会导致电路误动作，甚至无法正常工作。比如在设置 参数时，按一下“加 1”可能会加 4~5 个数甚至更多； 生活中常见的情况是鼠标单击变成了双击等。因此， 在很多时候，输入电路的信号需要经过防抖动处理之 后才会送到后级电路。

按键抖动的电压波形如图 1 如示，tjitter是抖动时间，通常在 1ms~30ms 之间。

按键抖动消除有多种方法： 1. 积分法（模拟电路）； 2. 施密特触发器（模拟电路）； 3. 延迟再次判断法； 4. 持续稳定判断法。

实验要求：

用 Verilog HDL 设计一个按键防抖动电路，要求用有限状态机实现。防抖动电路的输入 接实验箱的按键/开关（SW0），输出接实验五 1 位计数译码显示电路的时钟输入，实现每按 一次按键（或拨一次开关）计数器加 1，多次测试不出现抖动乱加现象，电路对按键的响应 无明显滞后。

三、 提高性实验

自拟实验方法，测试实验箱的按键抖动时间，精确到 0.1ms。

四、 预习要求

1. 简要写出电路设计思路，列出电路所需状态，画出状态转移图。 2. 分析、计算电路需要多高的时钟频率。 3. 自行查阅 Verilog HDL 编写有限状态机资料，完成实验程序代码编写。 4. 用 ModelSim 对实验电路进行功能仿真，并将仿真结果截图、打印。 5. 列出引脚锁定分配表（信号名->主板器件名->引脚号）。

五、 实验报告要求

1. 列出程序代码（有详细注释）。 2. 附 Quartus 生成的状态图 3. 附仿真测试波形。 4. 列出实验过程出现的问题及解决措施。

设计思路：

本次实验要求实现了一个用于防抖动的按键状态机，可以处理由于按键在状态切换时产生的抖动情况，并输出稳定的按键状态信号和状态机状态。以下是代码的主要设计思路和功能：

1.状态定义：定义了四个状态：`key0`、`key1`、`key2`、`key3`，分别代表按键的不同状态。这些状态用于表示按键的松开和按下过程中的不同状态情况。

2. 计数器和状态机更新：使用 `always` 块结合时钟信号和复位信号，在时钟的上升沿和复位信号变化时，更新状态机的状态和计数器的值。根据状态的变化和计数器的值，控制状态机状态的转换和计数器的计数过程。

3. 按键状态机逻辑： 在 `always` 块中通过 `case` 语句实现按键状态机的逻辑。根据当前状态和输入信号（按键是否按下），切换状态以及控制按键状态的输出。通过状态转换和计数器的变化，实现对按键状态的稳定检测和切换，避免了按键抖动带来的误触发问题。

4. 输出：输出了防抖后的按键状态 `key_state` 和进位信号 `CO`。`key_state` 表示稳定的按键状态，`CO` 则用于其他逻辑或模块的触发或控制。

状态机在按键输入的过程中会经历松开状态、松开毛刺状态、按下毛刺状态和按下状态，并根据输入信号和计数器的状态来稳定地输出按键状态，并在稳定状态下输出进位信号。整个设计的核心思想是通过状态机的状态切换和计数器的计数，实现对按键状态的稳定检测和输出。

代码：

顶层文件：
  1. module top(clk,reset_n,key,key_state,Q,codeout,CO,state,cnt);
  2. 	input clk,reset_n,key;// 输入时钟信号、复位信号和按键信号
  3. 	output [3:0] Q	; // 计数器
  4. 	output [6:0] codeout; // 七段数码管
  5. 	output CO; // 进位信号
  6. 	output key_state;  // 防抖状态
  7. 	output [3:0]state; // 临时状态输出
  8. 	output [20:0] cnt; // 计数器状态输出
  9. 	
  10. 	son1 fun1(clk,reset_n,key,key_state,state,cnt);
  11. 	son2 fun2(key_state,reset_n,Q,CO);
  12. 	son3 fun3(Q,codeout);
  13. endmodule
子文件：
状态机代码：
  1. module son1(clk,reset_n,key,key_state,state,cnt);
  2. 	input clk,reset_n,key;// 输入时钟信号、复位信号和按键信号
  3. 	output reg key_state;  // 防抖状态
  4.  
  5.     reg cnt_en;                      // 计数使能信号
  6.     output reg [20:0] cnt;                  // 计数器，用于计算时间
  7.     output reg [3:0] state;                 // 状态寄存器，用于记录按键状态机的状态
  8.  
  9.     parameter key0 = 4'b0001; //松开状态       // 按键状态机的状态参数
  10.     parameter key1 = 4'b0010; //松开毛刺状态
  11.     parameter key2 = 4'b0100;	//按下毛刺状态
  12.     parameter key3 = 4'b1000; //按下状态
  13.     
  14.     // 计数器和状态机的更新
  15.     always @ (posedge clk, negedge reset_n) begin
  16.         if (!reset_n)
  17.             cnt <= 0;               // 复位时将计数器清零
  18.         else if (cnt_en)
  19.             cnt <= cnt + 1'b1;      // 根据计数使能信号更新计数器值
  20.         else
  21.             cnt <= 0;               // 当计数使能信号为0时，将计数器清零
  22.     end
  24.     // 按键状态机逻辑
  25.     always @ (posedge clk, negedge reset_n) begin
  26.         if (!reset_n) begin
  27.             state <= key0;          // 复位时，将状态设置为初始状态key0
  28.             cnt_en <= 0;            // 复位时，将计数使能信号清零
  29.             key_state <= 0;         // 复位时，将按键状态清零
  30.         end
  31.         else begin
  32.             case(state)
  33.                 key0: begin 
  34.                     key_state <= 1'b0;  // 设置按键状态为低电平
  35.                     if (key == 1 && cnt_en == 0) begin
  36.                         state <= key1;   // 如果按键被按下且计数使能信号为0，则切换到状态key1
  37.                         cnt_en <= 1'b1;  // 启动计数使能信号
  38.                     end
  39.                     else state <= key0;   // 否则保持当前状态
  40.                 end
  41.                 key1: begin
  42.                     key_state <= 1'b0;  // 设置按键状态为低电平
  43.                     if (cnt == 21'd100000 && key == 1) begin
  44.                         state <= key2;   // 如果计数器达到阈值且按键仍被按下，则切换到状态key2
  45.                         cnt_en <= 1'b0;  // 关闭计数使能信号
  46.                     end
  47.                     else if (cnt == 21'd100000 && key == 0) begin
  48. 									state <= key0;
  49. 									cnt_en <= 1'b0;
  50. 								end
  51. 							else state <= key1;   // 否则保持当前状态
  52.                 end
  53.                 key2: begin
  54.                     key_state <= 1'b1;  // 设置按键状态为高电平
  55.                     if (key == 0 && cnt_en == 0) begin
  56.                         state <= key3;   // 如果按键被释放且计数使能信号为0，则切换到状态key3
  57.                         cnt_en <= 1'b1;  // 启动计数使能信号
  58.                     end
  59.                     else state <= key2;   // 否则保持当前状态
  60.                 end
  61.                 key3: begin
  62.                     key_state <= 1'b1; // 按键状态返回初始状态key0
  63.                     if (cnt == 21'd100000 && key == 0) begin
  64.                         state <= key0;      // 如果计数器达到阈值且按键已释放，则切换到空闲状态
  65.                         cnt_en <= 1'b0;  // 关闭计数使能信号
  66.                     end
  67.                     else if (cnt == 21'd100000 && key == 1) begin
  68. 								state <= key2;
  69. 								cnt_en = 1'b0;
  70. 							end
  71. 							else state <= key3;   // 否则保持当前状态
  72.                 end
  73.                 default: state <= key0; // 默认情况下将状态设置为初始状态key0
  74.             endcase
  75.         end
  76.     end
  77. endmodule
计数器代码： 
  1. module son2(clk, clr, Q, CO);
  2.     input clk, clr;           // 输入时钟信号和清零信号
  3.     output reg [3:0] Q;       // 输出4位计数值
  4.     output CO;                // 输出进位信号
  5.  
  6.     always @ (posedge clk, negedge clr) begin
  7.         if (!clr)               // 当清零信号为低电平时
  8.             Q <= 4'd0;          // 将计数器值清零
  9.         else begin
  10.             if (Q == 4'd9)      // 如果计数器值为9
  11.                 Q <= 4'd0;      // 将计数器值重置为0
  12.             else
  13.                 Q <= Q + 1'd1;  // 否则计数器值加1
  14.         end
  15.     end
  16.     assign CO = (clk & Q == 4'd9); // 判断是否达到9，输出进位信号
  17. endmodule
控制LED灯数值显示代码： 
  1. module son3(indec,codeout);
  2. 	input[3: 0] indec; // 说明输入信号的数组宽度为4
  3. 	output[6: 0] codeout; // 说明输出信号的数组宽度为7
  4. 	reg[6: 0] codeout; // 定义为寄存器
  5. 	always@(indec)
  6. 	begin
  7. 		case(indec) // indec作为判别常量
  8. 		// 根据输入信号indec，输出相应的codeout
  9. 		4'd0: codeout = 7'b1111110;
  10. 		4'd1: codeout = 7'b0110000;
  11. 		4'd2: codeout = 7'b1101101;
  12. 		4'd3: codeout = 7'b1111001;
  13. 		4'd4: codeout = 7'b0110011;
  14. 		4'd5: codeout = 7'b1011011;
  15. 		4'd6: codeout = 7'b1011111;
  16. 		4'd7: codeout = 7'b1110000;
  17. 		4'd8: codeout = 7'b1111111;
  18. 		4'd9: codeout = 7'b1111011; 
  19. 		default: codeout = 7'b0000001; // 将大于9的数显示为-负号
  20. 		endcase
  21. 	end
  22. endmodule
modelsim代码：
  1. `timescale 1ns / 1ns
  2. module test_7();
  3. 	reg clk;
  4. 	reg reset_n;
  5. 	reg key;
  6. 	wire key_state;
  7. 	wire [3:0] Q;
  8. 	wire [6:0] codeout;
  9. 	wire CO;
  10. 	wire [3:0] state;
  11. 	wire [20:0] cnt;
  12. 	top fun(
  13. 		.clk(clk),
  14. 		.reset_n(reset_n),
  15. 		.key(key),
  16. 		.key_state(key_state),
  17. 		.Q(Q),
  18. 		.codeout(codeout),
  19. 		.CO(CO),
  20. 		.state(state),
  21. 		.cnt(cnt)
  22. 	);
  23. 	
  24. 	initial begin
  25. 		clk = 1'b0;
  26. 		reset_n = 1'b0;
  27. 		key = 1'b1;
  28. 		
  29. 		#200 reset_n = 1'b1; // 在 200 时间单位后，将复位信号置为高电平
  30. 	end
  31. 	
  32. 	always begin  // 无限循环块
  33. 		// 1ms变化一次 一共变化10ms
  34. 		key = 1'b1;
  35. 		#100000 key = 1'b0;
  36. 		#100000 key = 1'b1;
  37. 		#100000 key = 1'b0;
  38. 		#100000 key = 1'b1;
  39. 		#100000 key = 1'b0;
  40. 		#100000 key = 1'b1;
  41. 		#100000 key = 1'b0;
  42. 		#100000 key = 1'b1;
  43. 		#100000 key = 1'b0;
  44. 		// 保持按键信号为高电平，然后再置为低电平
  45. 		#(50*100000) key = 1'b1;
  46. 		// 继续10ms变化
  47. 		#100000 key = 1'b0;
  48. 		#100000 key = 1'b1;
  49. 		#100000 key = 1'b0;
  50. 		#100000 key = 1'b1;
  51. 		#100000 key = 1'b0;
  52. 		#100000 key = 1'b1;
  53. 		#100000 key = 1'b0;
  54. 		#100000 key = 1'b1;
  55. 		#100000 key = 1'b0;
  56. 		#100000 key = 1'b1;
  57. 		// 保持低电平50ms
  58. 		#(50*100000) key = 1'b0;
  59. 	end
  60. 	
  61. 	always #10 clk = ~clk; // 模拟50MHZ时钟
  62. 	
  63. endmodule

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