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摘要：本文是"FPGA工程创建实战"系列的第三篇，围绕机械按键的抖动问题，从原理到实现完整讲解了一个基于Verilog HDL的按键消抖模块设计。文章首先分析按键抖动现象及其危害，对比硬件消抖与软件消抖两种方案；随后给出一个三级流水处理的参数化消抖模块，包括两级同步消除亚稳态、消抖计数稳定采样、边沿检测生成按下/释放脉冲三个环节，并详细说明非阻塞赋值与时序关系；最后通过ModelSim仿真和Quartus上板验证，确认模块在抖动期间输出稳定、边沿脉冲准确，可直接用于实际FPGA工程。

1. 引言

在数字电路设计中，机械按键的抖动是一个常见且必须处理的问题。当按键被按下或释放时，由于机械触点的弹性，会在几毫秒到几十毫秒内产生一系列不稳定的电平跳变，这种现象称为“抖动”。如果不对抖动进行处理，FPGA可能会将一次按键动作误判为多次，导致逻辑错误。

本文是"FPGA工程创建实战"系列的第三篇，将带领读者从零开始，创建一个完整的FPGA工程，并实现一个稳定可靠的按键消抖模块。我们将使用Verilog HDL进行设计，并在Quartus开发环境中完成仿真与验证。

2. 工程创建与环境准备

2.1 开发环境

• FPGA开发板：Altera Cyclone IV EP4CE10（如AC620、征途Mini等开发板）
• 开发工具：Quartus Prime 18.0或更高版本（支持Cyclone IV系列）
• 仿真工具：ModelSim（Quartus自带或独立版本）
• 设计语言：Verilog HDL

2.2 创建新工程

具体步骤请阅读之前的文章

3. 按键消抖原理分析

3.1 抖动现象

从波形可以看出，在按键稳定前存在多个脉冲，这些脉冲如果被FPGA采样，就会被误认为是多次按键。

3.2 消抖方法

常用的消抖方法有两种：

• 硬件消抖：使用RC滤波电路或施密特触发器
• 软件消抖：通过FPGA内部的计数器进行延时采样

本文采用软件消抖方法，其核心思想是：当检测到按键状态变化后，等待一段时间（如20ms），如果按键状态保持稳定，则认为抖动结束，输出稳定的按键信号。

4. Verilog模块设计

下面设计一个三级流水处理的按键消抖模块。该模块采用参数化设计，消抖时间可配置，并输出消抖后的稳定电平以及按下、释放边沿脉冲。

4.1 模块接口定义

消抖原理分析：按键是机械结构，按下/释放时触片会弹跳抖动，持续约5~20ms。抖动期间电平会在0和1之间快速跳变，如果直接采样会产生误判。消抖的核心思想是：检测到电平变化后，等待一段时间（本例10ms），如果这段时间内电平保持不变，才认为是稳定的，更新输出。

模块分为三级流水处理：

• 第一级：两级同步——消除跨时钟域的亚稳态（FPGA设计基本要求）
• 第二级：消抖计数——检测输入变化，倒计时等待稳定，稳定后采样输出
• 第三级：边沿检测——比较当前值和上一拍值，提取上升沿/下降沿脉冲

输出信号说明（全部为消抖后信号，可直接用于逻辑判断）：

• key_stable——消抖后的稳定电平（低有效：0=按下，1=释放），可直接读取当前按键状态
• key_press——按下边沿（下降沿），持续1个时钟周期的高脉冲，按键从释放变为按下的瞬间拉高，适合触发"按下事件"
• key_release——释放边沿（上升沿），持续1个时钟周期的高脉冲，按键从按下变为释放的瞬间拉高，适合触发"释放事件"

module key_debounce #( parameter DEBOUNCE_CNT = 500_000 // 消抖计数值，50MHz下约10ms )( input wire clk, // 系统时钟 input wire rst_n, // 异步复位，低有效 input wire key_in, // 原始按键输入（低有效：0=按下，1=释放） // ---- 以下输出均为消抖后信号，可直接用于逻辑判断 ---- output wire key_stable, // 消抖后稳定电平（低有效） output wire key_press, // 消抖后按下边沿（高脉冲1周期） output wire key_release // 消抖后释放边沿（高脉冲1周期） );

4.2 内部信号与参数计算

模块内部定义了以下关键信号：

• key_sync、key_sync_dly、key_sync_dly2——三级同步寄存器，用于消除亚稳态
• debounce_cnt——位宽随参数自适应的消抖计数器，防止溢出
• key_stable_reg——消抖后稳定值寄存器
• key_stable_dly——稳定值延迟一拍，用于边沿检测

// ---- 内部信号 ---- reg key_sync, key_sync_dly, key_sync_dly2; // 三级同步寄存器 reg [$clog2(DEBOUNCE_CNT+1)-1:0] debounce_cnt; // 位宽随参数自适应，防止溢出 reg key_stable_reg; // 消抖后稳定值寄存器 reg key_stable_dly; // 稳定值延迟一拍，用于边沿检测

4.3 第一级：两级同步（消除亚稳态）

原理：key_in是外部信号，与clk不同步，直接采样可能进入亚稳态（输出在0和1之间的不确定状态，会导致后续逻辑出错）。用两个串联的D触发器，第一拍可能仍处于亚稳态，但经过一拍后第二拍的输出就是稳定的了。这是FPGA处理异步输入的标准做法。如何延迟两拍这就用到了我们的

Verilog：<=表示非阻塞赋值。它会并行执行，右边的值先被计算并暂存，等所有赋值操作结束后才统一更新左边的变量。主要用于时序逻辑（如 always 块中触发器的赋值）。

按照时域上来解释，比如0周期，1周期，2周期。
其中key_in是最新状态，代表0周期的状态。当key_in在0周期发生变化后， key_sync <= key_in并不会立马生效，而是等待1周期，将key_in赋值给key_sync，以此来达到延时的功能。同理，key_sync_dly <= key_sync;会在2周期将将key_sync赋值给key_sync_dly。具体如图所示，假设外界在第0个周期key_in由1变为0

效果：key_sync_dly是同步后的信号，可以安全地在clk域内使用。

// ======================================================== // 第一级：两级同步，消除亚稳态 // ======================================================== // 原理：key_in是外部信号，与clk不同步，直接采样可能进入亚稳态 // （输出在0和1之间的不确定状态，会导致后续逻辑出错）。 // 用两个串联的D触发器，第一拍可能仍处于亚稳态， // 但经过一拍后第二拍的输出就是稳定的了。 // 这是FPGA处理异步输入的标准做法。 // 效果：key_sync_dly是同步后的信号，可以安全地在clk域内使用。 // ======================================================== always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin key_sync <= 1'b1; key_sync_dly <= 1'b1; key_sync_dly2 <= 1'b1; end else begin key_sync <= key_in; // 第一拍：可能亚稳态 key_sync_dly <= key_sync; // 第二拍：亚稳态已衰减 key_sync_dly2 <= key_sync_dly; // 再延一拍：用作变化检测基准 end end

4.4 第二级：消抖计数（稳定后更新输出）

原理：按键抖动时，电平会在0/1之间快速跳变（5~20ms内）。我们不关心抖动期间的每一个跳变，只需要最终稳定的值。

状态机逻辑：

1. key_sync_dly2 != key_sync_dly——检测到输入变化，说明可能开始抖动了，立刻重新装载计数器（从头开始等）
2. debounce_cnt > 0——输入没有变化，正在倒计时，说明电平已经稳定了一段时间
3. debounce_cnt == 0——倒计时结束，确认输入已经稳定足够长时间（10ms），将当前值采样到key_stable_reg

关键：抖动期间会反复触发"检测到变化→重新装载"，只有最后一次变化后持续稳定了10ms，才会真正更新输出。这样就过滤掉了所有抖动。

// ======================================================== // 第二级：消抖计数，稳定后更新输出 // ======================================================== // 原理：按键抖动时，电平会在0/1之间快速跳变（5~20ms内）。 // 我们不关心抖动期间的每一个跳变，只需要最终稳定的值。 // // 状态机逻辑： // 1. key_sync_dly2 != key_sync_dly → 检测到输入变化，说明可能 // 开始抖动了，立刻重新装载计数器（重头开始等） // 2. debounce_cnt > 0 → 输入没有变化，正在倒计时， // 说明电平已经稳定了一段时间 // 3. debounce_cnt == 0 → 倒计时结束，确认输入已经稳定 // 足够长时间（10ms），将当前值采样到key_stable_reg // // 关键：抖动期间会反复触发"检测到变化→重新装载"， // 只有最后一次变化后持续稳定了10ms，才会真正更新输出。 // 这样就过滤掉了所有抖动。 // ======================================================== always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin debounce_cnt <= 'd0; key_stable_reg <= 1'b1; end else begin if (key_sync_dly2 != key_sync_dly) begin // 输入发生变化（可能是抖动），重新装载计数器 debounce_cnt <= DEBOUNCE_CNT; end else if (debounce_cnt > 0) begin // 输入稳定，倒计时递减 debounce_cnt <= debounce_cnt - 1'b1; end else begin // 计数归零，确认稳定，采样输出 key_stable_reg <= key_sync_dly; end end end

4.5 第三级：边沿检测（生成按下/释放脉冲）

原理：把消抖后的稳定值延迟一拍，得到key_stable_dly。比较相邻两拍的值就能检测边沿：

• 下降沿（按下）：上一拍是1，当前是0 →key_stable_dly & ~key_stable_reg = 1
• 上升沿（释放）：上一拍是0，当前是1 →~key_stable_dly & key_stable_reg = 1

输出是1个时钟周期的高脉冲，可以直接作为触发信号。

输出赋值说明：

• key_stable直接输出消抖后的稳定电平（低有效），可直接读取按键状态
• key_press检测按下边沿（下降沿），条件为上一拍为1（释放）、当前为0（按下），输出1个时钟周期的高脉冲
• key_release检测释放边沿（上升沿），条件为上一拍为0（按下）、当前为1（释放），输出1个时钟周期的高脉冲

注意：

• 边沿检测中key_press这些边沿信号，不可使用key_sync_dly&~key_sync_dly2来触发，如果使用，将会在机械抖动期间，按键被触发多次

// ======================================================== // 第三级：边沿检测，生成按下/释放脉冲 // ======================================================== // 原理：把消抖后的稳定值延迟一拍，得到key_stable_dly。 // 比较相邻两拍的值就能检测边沿： // - 下降沿（按下）：上一拍是1，当前是0 → 1 & ~0 = 1 // - 上升沿（释放）：上一拍是0，当前是1 → ~0 & 1 = 1 // 输出是1个时钟周期的高脉冲，可以直接作为触发信号。 // ======================================================== always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) key_stable_dly <= 1'b1; else key_stable_dly <= key_stable_reg; end // ---- 输出赋值 ---- // key_stable：消抖后的稳定电平，低有效，可直接读取按键状态 assign key_stable = key_stable_reg; // key_press：按下边沿（下降沿），持续1个时钟周期的高脉冲 // 条件：上一拍为1（释放），当前为0（按下）→ 检测到按下瞬间 assign key_press = key_stable_dly & ~key_stable_reg; // key_release：释放边沿（上升沿），持续1个时钟周期的高脉冲 // 条件：上一拍为0（按下），当前为1（释放）→ 检测到释放瞬间 assign key_release = ~key_stable_dly & key_stable_reg; endmodule

4.6 参数计算与说明

模块中的DEBOUNCE_CNT参数用于控制消抖时间。计算公式为：

消抖计数值 = 系统时钟频率 × 消抖时间

例如，当系统时钟为 50MHz，需要 10ms 消抖时间时：

DEBOUNCE_CNT = 50_000_000 × 0.01 = 500_000

用户可以根据实际需求调整此参数：

• 对于抖动较严重的按键，可适当增大计数值（如 20ms）
• 对于响应速度要求高的场景，可适当减小计数值（如 5ms）
• 不同时钟频率下，需要重新计算此参数

5. 顶层示例：按键控制LED翻转

前面完成了key_debounce消抖模块的设计，下面给出一个顶层示例key_control_top，演示如何实例化消抖模块，并利用其三种输出信号实现按键控制LED翻转。本示例包含两个按键和三个LED，覆盖了key_stable、key_press、key_release三种典型用法。

5.1 功能说明

• LED1：由key1_press（按下边沿）触发翻转，每次按下瞬间翻转一次
• LED2：由key2_press（按下边沿）触发翻转，每次按下瞬间翻转一次
• LED3：由key1_stable（稳定电平）直接驱动，按住key1时点亮，松开熄灭

顶层模块实例化两个key_debounce模块，分别处理key1和key2的消抖，消抖时间均为 10ms（50MHz 时钟下DEBOUNCE_CNT = 500_000）。

5.2 顶层模块代码

// ------------------------------------------------------------ // 顶层示例：调用独立消抖模块，实现按键控制LED翻转 // // 本文件演示 key_debounce 模块的三种典型用法： // 1. 读取 key_stable —— 获取当前按键状态 // 2. 用 key_press —— 按下瞬间触发事件（本例用于翻转LED） // 3. 用 key_release —— 释放瞬间触发事件 // ------------------------------------------------------------ module key_control_top ( input wire clk, input wire rst_n, input wire key1, // 按键1（低有效） input wire key2, // 按键2（低有效） output wire led1, // LED1：key1按下翻转 output wire led2, // LED2：key2按下翻转 output wire led3 // LED3：key1按住时亮（电平驱动） ); // ---- 消抖后信号声明 ---- wire key1_stable; // key1 消抖后稳定电平 wire key1_press; // key1 按下边沿脉冲（消抖后） wire key1_release; // key1 释放边沿脉冲（消抖后） wire key2_stable; // key2 消抖后稳定电平 wire key2_press; // key2 按下边沿脉冲（消抖后） wire key2_release; // key2 释放边沿脉冲（消抖后） reg led1_reg, led2_reg; // ======================================================== // 实例化消抖模块 // ======================================================== key_debounce #( .DEBOUNCE_CNT(500_000) // 50MHz时钟下约10ms消抖 ) u_debounce_key1 ( .clk (clk), .rst_n (rst_n), .key_in (key1), // 原始按键输入 // ---- 消抖后输出，可直接用于逻辑判断 ---- .key_stable (key1_stable), // 稳定电平：0=按下，1=释放 .key_press (key1_press), // 按下边沿：按下瞬间高1周期 .key_release (key1_release) // 释放边沿：释放瞬间高1周期 ); key_debounce #( .DEBOUNCE_CNT(500_000) ) u_debounce_key2 ( .clk (clk), .rst_n (rst_n), .key_in (key2), .key_stable (key2_stable), .key_press (key2_press), .key_release (key2_release) ); // ======================================================== // 应用逻辑示例 // ======================================================== // 示例1：用 key_press（按下边沿）触发LED翻转 // 每次按键按下瞬间，LED状态翻转一次 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) led1_reg <= 1'b0; else if (key1_press) // 消抖后的按下边沿，直接作为触发条件 led1_reg <= ~led1_reg; end // 示例2：用 key_release（释放边沿）触发LED翻转 // 每次按键释放瞬间，LED状态翻转一次 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) led2_reg <= 1'b0; else if (key2_press) // 这里同样用按下边沿，可改为 key2_release led2_reg <= ~led2_reg; end // 示例3：用 key_stable（稳定电平）直接驱动LED // 按住按键时LED亮，松开就灭 assign led3 = ~key1_stable; // key_stable低有效，取反后高电平点亮 // ---- 输出赋值 ---- assign led1 = led1_reg; assign led2 = led2_reg; endmodule

5.3 代码说明

实例化消抖模块：顶层分别实例化u_debounce_key1和u_debounce_key2两个消抖模块，将原始按键key1、key2接入key_in，消抖后的稳定电平、按下边沿、释放边沿分别引出到对应的 wire 信号上。

LED1 翻转逻辑：使用key1_press作为触发条件。由于key_press是消抖后的按下边沿，只在按键真正稳定按下瞬间产生一个时钟周期的高脉冲，因此每次按下key1，led1_reg翻转一次，不会因抖动产生误触发。

LED2 翻转逻辑：使用key2_press作为触发条件，逻辑与 LED1 相同。若希望改为释放瞬间翻转，只需将触发条件替换为key2_release即可。

LED3 电平驱动：直接使用key1_stable稳定电平驱动。由于key_stable是低有效（0=按下，1=释放），取反后~key1_stable在按键按下时为高电平，点亮 LED3；松开后为低电平，LED3 熄灭。

5.4 演示视频

下面给出按键控制LED翻转的上板演示视频，直观展示消抖效果与三种输出信号的典型用法：

视频放置位置：

视频内容建议包含以下三个演示环节：

• LED1 翻转演示：按下key1，观察led1每次按下翻转一次，验证key_press按下边沿触发逻辑。
• LED2 翻转演示：按下key2，观察led2每次按下翻转一次，验证第二个消抖通道的独立工作。
• LED3 电平驱动演示：按住key1时led3点亮，松开后熄灭，验证key_stable稳定电平直接驱动逻辑。

通过视频可以直观看到，即使在快速连续按键的情况下，LED 状态也只会按预期翻转一次，不会因机械抖动产生误触发，说明消抖模块工作正常。

6. 测试验证

6.1 Testbench设计

`timescale 1ns / 1ps module key_control_tb; reg clk; reg rst_n; reg key_in; wire key_stable; wire key_press; wire key_release; key_debounce #( .DEBOUNCE_CNT(500_000) ) u_key_debounce ( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .key_in(key_in), .key_stable(key_stable), .key_press(key_press), .key_release(key_release) ); initial begin clk = 0; forever #10 clk = ~clk; end initial begin rst_n = 0; key_in = 1;//初始化 #100; rst_n=1; #100; //按下抖动 key_in=0;//按下 #5; key_in=1; #5; key_in=0;//按下 #5; key_in=1; #5; key_in=0;//按下 #5; key_in=1; #5; key_in=0;//稳定 #20000000; //释放抖动 key_in=1; #5; key_in=0;//按下 #5; key_in=1; #5; key_in=0;//按下 #5; key_in=1; #5; key_in=0;//抖动 #5; key_in=1;//稳定 #20000000; $finish; end endmodule

6.2 仿真结果分析

通过 ModelSim 仿真工具运行 Testbench，观察波形图可以得到以下验证结果：

1. 消抖功能验证：在按键抖动期间（约 5-20ms），key_stable信号保持稳定，不会随抖动变化。
2. 边沿检测验证：
   • 当按键从释放变为按下时，key_press输出一个时钟周期的高脉冲
   • 当按键从按下变为释放时，key_release输出一个时钟周期的高脉冲
   • 在按键稳定期间，两个边沿信号均为低电平