本系列將帶來FPGA的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，從最基本的數(shù)字電路基礎(chǔ)開始，最詳細操作步驟，最直白的言語描述，手把手的“傻瓜式”講解，讓電子、信息、通信類專業(yè)學(xué)生、初入職場小白及打算進階提升的職業(yè)開發(fā)者都可以有系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的機會。

系統(tǒng)性的掌握技術(shù)開發(fā)以及相關(guān)要求，對個人就業(yè)以及職業(yè)發(fā)展都有著潛在的幫助，希望對大家有所幫助。后續(xù)會陸續(xù)更新 Xilinx 的 Vivado、ISE 及相關(guān)操作軟件的開發(fā)的相關(guān)內(nèi)容，學(xué)習(xí)FPGA設(shè)計方法及設(shè)計思想的同時，實操結(jié)合各類操作軟件，會讓你在技術(shù)學(xué)習(xí)道路上無比的順暢，告別技術(shù)學(xué)習(xí)小BUG卡破腦殼，告別目前忽悠性的培訓(xùn)誘導(dǎo)，真正的去學(xué)習(xí)去實戰(zhàn)應(yīng)用，這種快樂試試你就會懂的。話不多說，上貨。

利用按鍵控制LED的要求為：按一下按鍵，改變一下LED的狀態(tài)。按鍵按一次，LED由熄滅變?yōu)辄c亮，按鍵再按一次，LED由點亮變?yōu)橄纭?/p>

硬件介紹

開發(fā)板上面有四個按鍵，當按鍵按下時，將對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)置成低電平；當按鍵釋放時，將對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)置成高電平。

開發(fā)板上面有四個LED發(fā)光二極管，F(xiàn)PGA輸出高電平時，LED點亮；FPGA輸出低電平時，LED熄滅。

設(shè)計原理

通常的按鍵所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，當機械觸點斷開、閉合時，由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合時不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時也不會一下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動。

按鍵抖動會引起一次按鍵被誤讀多次。為確保CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去除鍵抖動。在鍵閉合穩(wěn)定時讀取鍵的狀態(tài)，并且必須判別到鍵釋放穩(wěn)定后再作處理。

抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為5ms～10ms。這是一個很重要的時間參數(shù)，在很多場合都要用到。按鍵穩(wěn)定閉合時間的長短則是由操作人員的按鍵動作決定的，一般為零點幾秒至數(shù)秒。

我們可以在按鍵和主控設(shè)備之間加入消抖電路（消抖芯片、電容等），此種方法會增大PCB面積和花費一定的物料費用。大多數(shù)的板子直接將按鍵和主控設(shè)備相連接，將帶有抖動的波形輸入到主控設(shè)備內(nèi)部，由內(nèi)部進行消抖處理。

單片機一般采用延遲重采樣的方式進行消抖。當檢測到信號為低時，延遲一段時間（一般為20ms），再次檢測信號是否為低，如果為低，則證明按鍵按下，否則認為按鍵沒有按下，繼續(xù)下一次檢查。

在FPGA設(shè)計時，筆者推薦另外一種方式：持續(xù)采樣。當檢測到信號持續(xù)為低10ms，認為按鍵按下；當檢測到信號持續(xù)為高10ms，認為按鍵釋放。

在設(shè)計時，需要考慮到外部的按鍵信號為異步信號，需要進行同步處理。具體請參考附錄2 FPGA中的同步信號、異步信號和亞穩(wěn)態(tài)。

每次按鍵按下的時間的長短不一，經(jīng)過消抖后，低電平的持續(xù)長度長短也不一樣。此長度遠遠大于一個時鐘周期的長度。要求每次按下只能夠切換一次LED的狀態(tài)，所以不能夠直接用此電平當做輸出翻轉(zhuǎn)的使能。

經(jīng)過消抖的波形，每次按下只有一個下降沿（按鍵按下時）、只有一個上升沿（按鍵釋放時）。所以通過檢測下降沿（上升沿）的變化，產(chǎn)生一個新的信號------脈沖（一個時鐘周期的脈沖），利用此脈沖作為翻轉(zhuǎn)的使能即可。利用檢測到下降沿的脈沖翻轉(zhuǎn)時，LED的狀態(tài)會在按下時就會改變；利用檢測到上升沿的脈沖翻轉(zhuǎn)時，LED的狀態(tài)會在釋放時發(fā)生改變。本設(shè)計中采用檢測到下降沿的脈沖進行翻轉(zhuǎn)。

設(shè)計架構(gòu)和信號說明

本設(shè)計模塊命名為key_led。

在設(shè)計中，共分為三個模塊。

• key_filter（按鍵消抖模塊）：將外部輸入的帶有抖動的波形進行消抖。

• edge_check（邊沿檢測模塊）：將消抖后的波形進行下降沿檢測，并產(chǎn)生對應(yīng)的脈沖。

• led_ctrl（led控制模塊）：利用脈沖，翻轉(zhuǎn)led的輸出狀態(tài)。

key_filter設(shè)計實現(xiàn)

本設(shè)計采用狀態(tài)機實現(xiàn)，狀態(tài)機的具體原理請參看附錄3。

對key_n信號為異步信號，需要進行同步兩拍，命名為key_n_r和key_n_rr。狀態(tài)機的判斷信號為key_n_rr信號。

本設(shè)計共分為四個狀態(tài)，KEY_OFF（按鍵釋放狀態(tài)），SHAKE_ON（按鍵按下時抖動判斷狀態(tài)），KEY_ON（按鍵按下狀態(tài)），SHAKE_OFF（按鍵釋放時抖動判斷狀態(tài)）。

按鍵沒有按下時，一直KEY_OFF狀態(tài)，當按鍵信號變?yōu)榈碗娖綍r，就轉(zhuǎn)入SHAKE_ON狀態(tài)，檢測低電平的持續(xù)時間。如果持續(xù)時間沒有達到T_10ms就變?yōu)楦唠娖剑瑒t清零計數(shù)器并返回KEY_OFF狀態(tài)；如果持續(xù)時間沒有達到T_10ms并且也一直為低電平，則繼續(xù)在SHAKE_ON狀態(tài)計數(shù)；如果持續(xù)時間達到T_10ms并且為低電平，則清零計數(shù)器并進入KEY_ON狀態(tài)。在KEY_ON狀態(tài)，外部輸入為低電平時，則繼續(xù)在KEY_ON狀態(tài)；如果外部輸出為高電平，則轉(zhuǎn)入SHAKE_OFF狀態(tài)。在SHAKE_OFF狀態(tài)，如果持續(xù)時間沒有到達T_10ms就變?yōu)榈碗娖?，則清零計數(shù)器并返回KEY_ON狀態(tài)；如果持續(xù)時間沒有達到T_10ms并且一直為高電平，則繼續(xù)在SHAKE_OFF狀態(tài)計數(shù)；如果持續(xù)時間達到T_10ms并且一直為高電平，則清零計數(shù)器并轉(zhuǎn)入KEY_OFF狀態(tài)。

在KEY_OFF和SHAKE_ON狀態(tài)，認為按鍵沒有按下；在KEY_ON和SHAKE_OFF狀態(tài)，認為按鍵為按下。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：

設(shè)計代碼為：

localparam可以定義參數(shù)，與parameter的區(qū)別在于，parameter定義的參數(shù)可以在例化時進行參數(shù)修改，而localparam定義的參數(shù)在例化時則不能夠修改。定義狀態(tài)機狀態(tài)時，一般采用localparam的定義方式。在不希望別人修改參數(shù)時，也可以定義為localparam。

edge_check設(shè)計實現(xiàn)

在一個波形中，如果當前時刻為低電平，上一個時刻為高電平，則認為波形中有一個下降沿；如果當前時刻為高電平，上一個時刻為低電平，則認為波形中有一個上升沿。

在數(shù)字電路設(shè)計時，可以采用寄存器來存儲上一個時刻的值。

在寄存器電路中，Q的值，永遠是上一個CLK的有效邊沿所采樣的D值。因此Q為上一時刻值，而D為當前時刻的值。

設(shè)計代碼為：

在設(shè)計中，注釋掉的兩行代碼和其下方的一行代碼的功能是相同的。例：對于上升沿脈沖來說，現(xiàn)在為1，過去為0即為上升沿。由于寄存器每個時鐘周期都刷新，滿足這個要求的只會存在一個時鐘周期，所以flag_pos為一個時鐘周期的脈沖。

led_ctrl設(shè)計實現(xiàn)

本模塊中，利用脈沖進行l(wèi)ed狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)即可。

設(shè)計代碼為：

key_led設(shè)計實現(xiàn)

本模塊只是負責(zé)將上述的三個模塊按照架構(gòu)圖的方式進行連接，形成最終的設(shè)計。

設(shè)計代碼為：

在設(shè)計中，采用了按鍵按下時的脈沖（檢測到下降沿的脈沖），按鍵按下時led的狀態(tài)即可進行翻轉(zhuǎn)。

功能仿真

在仿真時，將按鍵消抖中的T_10ms的參數(shù)修改為20，即持續(xù)時間不超過400ns都不認為是有效按下或者抬起。

仿真代碼如下：

將okey_n、flag信號添加出來。

通過RTL仿真圖，可以清晰的看到okey_n信號將key_n的抖動濾除掉；flag信號為okey_n信號的下降沿時所產(chǎn)生的脈沖；led在flag信號為高時，反正翻轉(zhuǎn)。

分配管腳、下板測試之前，應(yīng)該將按鍵消抖里面的T_10ms參數(shù)重新改為500_000，否則下板后可能會達不到消抖的效果。

下板成功后，可以修改在設(shè)計中使用上升沿的脈沖，得到的現(xiàn)象應(yīng)該是按鍵釋放時，LED的狀態(tài)發(fā)生反轉(zhuǎn)。

切記：每次修改代碼，一定要進行重新編譯，否則更改將不會生效。