实验 04：按键消抖与 LED 控制

🛒 开发板: EK301 GW5A FPGA 开发板

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一、实验目的

1. 理解机械按键的抖动现象（按下/释放时 5-20ms 的电平快速跳变）。
2. 掌握 FPGA 按键消抖的标准实现：两级同步器 + 下降沿检测 + 20ms 延时确认状态机。
3. 学会模块化设计——key_debounce 作为可复用模块，参数化消抖时间。
4. 掌握多按键协同控制 LED 的交互逻辑设计。

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二、实验过程

2.1 硬件连接

信号	方向	FPGA 引脚	Bank	说明
KEY1	输入	C10	Bank 1	轻触按键，按下=0，RC消抖
KEY2	输入	A10	Bank 1	同上
KEY3	输入	B9	Bank 0	同上
KEY4	输入	A9	Bank 0	同上
LED1~7	输出	G9/E7/E6/A5/A4/B4/A3/C5	Bank 0/1	蓝色LED

⚠️ KEY3=B9, KEY4=A9（注意 EK301 和 EK303 引脚不同！）

2.2 按键抖动原理

理想波形: ───────┐         ┌──────
                 └─────────┘

实际波形: ───────┐┌┐┌┐┌┐┌──┌────────
                 └┘└┘└┘└┘  └┘
                  ←5-20ms→    ←抖动区→

• 抖动原因：金属触点弹性碰撞，产生 5-20ms 的不稳定跳变。
• RC 硬件消抖：板载 RC 低通滤波，减缓边沿但不能完全消除。
• FPGA 软件消抖：两级同步 + 延时确认，彻底消除抖动。

2.3 消抖状态机

                    fall (下降沿)
    ┌──────┐    ─────────────→    ┌──────┐
    │ IDLE │                      │ WAIT │
    │  S0  │    ←─────────────    │  S1  │
    └──────┘    key==1(抖动回高)    └──────┘
         ↑                           │
         │                    cnt==MAX && key==0
         │                           ↓
         │                      ┌──────┐
         └──────────────────────│PRESS │
             输出pressed=1       │  S2  │
                                └──────┘

2.4 关键设计决策

决策	原因
仅检测下降沿	避免按下+释放各触发一次
消抖时间 20ms	大于典型抖动期（5-20ms）
输出单周期脉冲	下游逻辑只需 1 个 clk 知晓按键事件
使用电平触发 非脉冲	key_press 可安全用于 if 条件

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三、代码讲解

3.1 两级同步器

reg [1:0] sync;
reg       prev;
always @(posedge clk) begin
    {sync, prev} <= {sync[0], key_in, sync[1]};
end

• 异步输入 key_in → 第一级 sync[0] → 第二级 sync[1] → 再延迟一拍 prev。
• 两级同步大幅降低亚稳态概率（MTBF > 数百年）。
• prev 存储 sync[1] 上一拍的值，用于边沿检测。

3.2 下降沿检测

wire fall = prev && !sync[1];

• prev=1, sync[1]=0 → 1→0 跳变 → fall=1。
• 仅检测下降沿，忽略上升沿（释放）。

3.3 消抖状态机

always @(posedge clk) begin
    case (st)
        2'd0: begin                           // IDLE
            pressed <= 0;
            if (fall) begin st <= 2'd1; cnt <= 0; end
        end
        2'd1: begin                           // WAIT
            if (cnt == MAX) begin
                if (sync[1] == 0) st <= 2'd2; // 确认按下
                else              st <= 2'd0; // 抖动回高→放弃
            end else cnt <= cnt + 1;
        end
        2'd2: begin pressed <= 1; st <= 2'd0; end  // 输出脉冲
    endcase
end

3.4 按键功能分配

if (key_press[0]) led[0] <= ~led[0];     // KEY1: toggle LED1
if (key_press[1]) dir <= ~dir;            // KEY2: 切换流水方向
if (key_press[2]) speed_mode <= ...;      // KEY3: 三档速度
if (key_press[3]) led <= ~led;            // KEY4: 全部翻转

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四、实验现象

操作	预期结果
上电	LED1 亮，开始右移流水灯
按 KEY1	LED1 切换亮/灭
按 KEY2	流水方向从右移→左移→右移...
按 KEY3	流水速度: 慢→中→快→慢...
按 KEY4	全部 8 个 LED 翻转
按住不放	不重复触发（单次响应）

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五、掌握知识点

知识点	说明
按键抖动	5-20ms 不稳定跳变，需消抖处理
两级同步器	sync[0]→sync[1] 消除亚稳态
下降沿检测	prev && !sync[1]
参数化模块	#(parameter MS=20) 可调消抖时间
单周期脉冲	pressed=1 仅持续 1 个 clk

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附录：源码

top.v

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Company: 武汉芯路恒科技有限公司
// Engineer: 小梅哥团队
// Web: www.corecourse.cn
// 
// Create Date: 2020/07/20 00:00:00
// Design Name: key_led
// Module Name: key_led
// Project Name: EK301 实验04
// Description: 按键消抖与LED控制
//   KEY1: LED1翻转
//   KEY2: LED流水方向切换
//   KEY3: 流水速度切换(3档)
//   KEY4: 全部LED翻转
// 
// Dependencies: key_debounce.v
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//   芯片: GW5A-LV25UG324C1/I0
//   时钟: 50MHz (T9)
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

module key_led (
	input  wire       clk,          // 50MHz (T9)
	input  wire       reset_n,      // 复位信号，低有效 (A11)
	input  wire [3:0] key,          // KEY1~KEY4 (按下=0)
	output reg  [7:0] led           // LED1~LED8
);

	wire reset = ~reset_n;

// ---- 按键消抖例化 (4路) ----
	wire [3:0] key_flag;
	wire [3:0] key_state;  // 1=释放, 0=按下

	key_debounce u_key0 (.clk(clk), .reset_n(reset_n), .key_in(key[0]), .key_flag(key_flag[0]), .key_state(key_state[0]));
	key_debounce u_key1 (.clk(clk), .reset_n(reset_n), .key_in(key[1]), .key_flag(key_flag[1]), .key_state(key_state[1]));
	key_debounce u_key2 (.clk(clk), .reset_n(reset_n), .key_in(key[2]), .key_flag(key_flag[2]), .key_state(key_state[2]));
	key_debounce u_key3 (.clk(clk), .reset_n(reset_n), .key_in(key[3]), .key_flag(key_flag[3]), .key_state(key_state[3]));

// ---- LED流水时钟(可变速) ----
// 三档速度: 0.5Hz / 1Hz / 2Hz
	localparam SPEED_SLOW = 50_000_000 / 1  - 1;   // 0.5Hz
	localparam SPEED_MID  = 50_000_000 / 2  - 1;   // 1Hz
	localparam SPEED_FAST = 50_000_000 / 4  - 1;   // 2Hz

	reg  [1:0]   speed_mode;   // 速度档位: 0=慢 1=中 2=快
	reg  [25:0]  cnt_speed;
	reg          tick;
	reg          dir;           // 0=右移, 1=左移

// --- 复位初始化 ---
	always@(posedge clk or posedge reset)
	if(reset)begin
		led        <= 8'b0000_0001;
		speed_mode <= 2'd1;     // 默认中速
		dir        <= 1'b0;
	end
	else begin
		// --- 速度选择 ---
		if (key_flag[2]) begin
			// KEY3: 三档循环切换 (检测按下脉冲)
			if (key_state[2] == 1'b0) begin
				if (speed_mode == 2'd2)
					speed_mode <= 2'd0;
				else
					speed_mode <= speed_mode + 1'b1;
			end
		end

		// --- LED 控制 ---
		// KEY1: toggle LED1 (检测按下脉冲)
		if (key_flag[0] && key_state[0] == 1'b0)
			led[0] <= ~led[0];

		// KEY2: 切换流水方向 (检测按下脉冲)
		if (key_flag[1] && key_state[1] == 1'b0)
			dir <= ~dir;

		// KEY4: 全部LED翻转 (检测按下脉冲)
		if (key_flag[3] && key_state[3] == 1'b0)
			led <= ~led;

		// 流水灯 (tick)
		if (tick) begin
			if (dir)
				led <= {led[0], led[7:1]};   // 左移
			else
				led <= {led[6:0], led[7]};   // 右移
		end
	end

// --- 分频器(根据速度档位) ---
	always@(posedge clk or posedge reset)
	if(reset)begin
		cnt_speed <= 26'd0;
		tick      <= 1'b0;
	end
	else begin
		case (speed_mode)
			2'd0: if (cnt_speed == SPEED_SLOW) begin cnt_speed <= 0; tick <= 1; end
			      else begin cnt_speed <= cnt_speed + 1; tick <= 0; end
			2'd1: if (cnt_speed == SPEED_MID)  begin cnt_speed <= 0; tick <= 1; end
			      else begin cnt_speed <= cnt_speed + 1; tick <= 0; end
			2'd2: if (cnt_speed == SPEED_FAST) begin cnt_speed <= 0; tick <= 1; end
			      else begin cnt_speed <= cnt_speed + 1; tick <= 0; end
		endcase
	end

endmodule

key_debounce.v

// =============================================================================
// EK301 按键消抖模块 (自写简化版, 已验证可用)
// 功能: 信号连续20ms稳定才确认变化, 输出key_flag(脉冲)+key_state(1=释放/0=按下)
// =============================================================================

module key_debounce #(
    parameter MS = 20    // 消抖时间(ms)
)(
    input  wire clk,
    input  wire reset_n,     // 低有效复位 (可接1'b1)
    input  wire key_in,      // 按键输入 (按下=0)
    output reg  key_flag,    // 边沿脉冲 (按下/释放均有)
    output reg  key_state    // 1=释放, 0=按下
);

localparam CNT_MAX = (50_000_000 * MS / 1000) - 1;

// ---- 两级同步 ----
reg [1:0] sync;
always @(posedge clk) sync <= {sync[0], key_in};

// ---- 消抖: 连续CNT_MAX周期值相同才确认 ----
reg [19:0] cnt;
reg        stable;      // 消抖后的稳定值

always @(posedge clk) begin
    if (sync[1] != stable) begin
        if (cnt == CNT_MAX) begin
            stable <= sync[1];
            cnt <= 0;
        end else begin
            cnt <= cnt + 1;
        end
    end else begin
        cnt <= 0;
    end
end

// ---- 边沿检测 + 状态输出 ----
reg stable_prev;
always @(posedge clk) stable_prev <= stable;

always @(posedge clk) begin
    // key_flag: stable变化时产生一个周期脉冲
    key_flag  <= (stable != stable_prev);
    // key_state: 与key_in同相 (按下=0, 释放=1)
    key_state <= stable;
end

endmodule