2. 按键消抖模块

任务目标

实现一个基于边沿检测的按键消抖模块，消除机械抖动，输出稳定的按键脉冲。按键按下和释放时均会产生约5~20ms的机械抖动，本模块通过20ms稳定计数窗口滤除抖动，仅在按键状态稳定后输出单周期脉冲。

设计原理

采用“采样+计数”方式：当检测到按键电平与稳定状态不一致时，启动计数器；若电平在连续20ms内保持不变，则判定状态翻转并输出脉冲；若中途变化则清零重新计数。该方案无需精确时钟分频，仅需一个计数器即可实现。

模块接口

关键完整代码

module key_debounce #(
    parameter CLK_FREQ = 50_000_000,  // 时钟频率Hz
    parameter DEBOUNCE_MS = 20        // 消抖时间ms
)(
    input  wire clk,
    input  wire rst_n,
    input  wire key_in,
    output reg  key_pulse,
    output reg  key_state
);

    // 计算计数上限
    localparam integer CNT_MAX = CLK_FREQ / 1000 * DEBOUNCE_MS - 1;

    reg [31:0] cnt;
    reg        key_state_d;  // 上一拍稳定状态

    // 异步复位
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            cnt       <= 32'd0;
            key_state <= 1'b1;   // 默认高电平（释放）
            key_state_d <= 1'b1;
            key_pulse <= 1'b0;
        end else begin
            // 保存上一拍状态
            key_state_d <= key_state;

            // 按键电平与当前稳定状态不一致 → 启动计数
            if (key_in != key_state) begin
                if (cnt == CNT_MAX) begin
                    // 计数满，状态翻转
                    key_state <= key_in;
                    cnt       <= 32'd0;
                end else begin
                    cnt <= cnt + 32'd1;
                end
            end else begin
                // 电平一致，清零计数器
                cnt <= 32'd0;
            end

            // 边沿检测：稳定状态发生变化时产生脉冲
            if (key_state_d != key_state)
                key_pulse <= 1'b1;
            else
                key_pulse <= 1'b0;
        end
    end

endmodule

运行与验证

Testbench要点：

// 在testbench中：
// 1. 初始化key_in=1，运行100us
// 2. 模拟按下抖动：key_in先拉低2us，再拉高1us，再拉低并保持
// 3. 等待约20ms，观察key_pulse是否出现一个高脉冲
// 4. 模拟释放抖动：key_in拉高2us，拉低1us，再拉高并保持
// 5. 等待约20ms，再次观察key_pulse

仿真通过条件：

• 按下抖动期间（前3us内）key_pulse保持为0，无毛刺输出
• 按键稳定约20ms后，key_state变为0（按下），同时key_pulse输出1个时钟周期的高脉冲
• 释放抖动期间无脉冲输出，稳定20ms后key_state回到1，key_pulse再次输出单周期脉冲

综合与上板验证：将key_pulse连接至LED取反逻辑，每按一次按键LED翻转一次。若LED状态稳定翻转且无抖动闪烁，则模块工作正常。

注意事项

• 参数CLK_FREQ必须与实际时钟匹配，否则消抖时间会偏移
• 计数器位宽需满足CNT_MAX最大值，50MHz/20ms时计数上限为999999，需20位以上，此处使用32位安全余量
• 本模块适用于机械按键，若按键为自锁开关（状态保持型），则无需脉冲输出，只需key_state即可