【黑金原創教程】【FPGA那些事兒-驅動篇I 】實驗四：按鍵模組③ — 單擊與雙擊
實驗四：按鍵模組③ — 單擊與雙擊
實驗三我們建立了“點選”還有“長點選”等有效按鍵的多功能按鍵模組。在此，實驗四同樣也是建立多功能按鍵模組，不過卻有不同的有效按鍵。實驗四的按鍵功能模組有以下兩項有效按鍵：
l 單擊（按下有效）；
l 雙擊（連續按下兩下有效）。
圖4.1 單擊有效按鍵，時序示意圖。
實驗四的“單擊”基本上與實驗三的“點選”一模一樣，既按鍵被按下，經過消抖以後isSClick訊號被拉高一個時鐘，結果如圖4.1所示，過程非常單調。反之，“雙擊”實現起來，會比較麻煩一些，因為我們還要考慮而外的細節，即人為連打極限。所謂人為連打極限就是兩次按下按鍵之間的最短間隔。
如圖4.2 雙擊有效按鍵，時序示意圖（雙擊成功）。
根據筆者的理解，常人的連打極限是60ms左右，筆者是80ms左右，超人是20ms左右。
為了相容常人還有筆者的連打極限，我們必須設定有效的連擊時限，為此100ms是最好的選擇。如圖4.2所示，假設那是按鍵過程，筆者先是緩緩按下然後又緩緩釋放按鍵完成第一次按鍵行為，結果有如往常般，按下事件發生，抖動發生，釋放事件發生，抖動發生，但是 isDClick（Double Click）訊號還有isSClick（Single Click）訊號都沒有產生高脈衝。
第一次按鍵完成以後就會引來第二次按鍵的黃金時間，亦即有效連擊時限，在此筆者設為100ms。假設筆者在這100ms的黃金時間內按下按鍵，那麼 isDClick訊號會立即產生高脈衝。餘下有如往常那樣，抖動發生，釋放事件發生，抖動發生 ... 對此，isSClick由始至終都沒有狀況發生。
如圖4.3 雙擊有效按鍵，時序示意圖（雙擊失敗）。
假設筆者沒在有限的100ms黃金時間內執行第二次按鍵按下的動作，那麼“雙擊”就會失敗，結果如圖4.3所示。第一次按鍵過程與圖4.2一樣，反之第二次按鍵卻不同了，如圖4.3所示，第二次按鍵的按下事件是發生在100ms以後，為此isSClick產生高脈衝，然而isDClick訊號卻沒有動靜。
明白上述這些簡單的原理以後，我們就可以開始建模了。
圖4.4 實驗四的建模圖。
如圖4.4所示，那是實驗四的建模圖，它有一位 KEY輸入端，連線至按鍵資源。此外，它也有兩位 LED輸出端，分別連線兩位LED資源。
key_funcmod.v
1. module key_funcmod
2. (
3. input CLOCK, RESET,
4. input KEY,
5. output [1:0]LED
6. );
以上內容為出入端的相關宣告。
7. parameter T10MS = 28'd500_000;
8. parameter T100MS = 28'd5_000_000;
9. parameter T200MS = 28'd10_000_000;
10. parameter T300MS = 28'd15_000_000;
11. parameter T400MS = 28'd20_000_000;
12. parameter T500MS = 28'd25_000_000;
13.
14. /**********************************/ //sub
15.
16. reg F2,F1;
17.
18. always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
19. if( !RESET )
20. { F2, F1 } <= 2'b11;
21. else
22. { F2, F1 } <= { F1, KEY };
23.
24. /**********************************/ //core
25.
26. wire isH2L = ( F2 == 1 && F1 == 0 );
27. wire isL2H = ( F2 == 0 && F1 == 1 );
以上內容為相關常量宣告，周邊操作以及即時宣告。第7~12行是各種時間的常量宣告，除了10毫秒宣告消抖時間以外，第8~12行的時間常量是用來自定義雙擊的敏感度。第18~23行是檢測電平狀態的周邊操作，第26~27行則是按下事件還有釋放事件。
28. reg [3:0]i;
29. reg isDClick,isSClick;
30. reg [1:0]isTag;
31. reg [27:0]C1;
32.
33. always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
34. if( !RESET )
35. begin
36. i <= 4'd0;
37. isDClick <= 1'd0;
38. isSClick <= 1'b0;
39. isTag <= 2'd0;
40. C1 <= 28'd0;
41. end
42. else
以上內容為相關暫存器聲以及復位操作。i用作指向步驟，isDClick 還有 isSClick是用作標示“雙擊”還有“單擊”。isTag是有效按鍵的標籤，C1則用來計數。至於第33~41行則是核心操作的復位活動。
43. case(i)
44.
45. 0: // Wait H2L
46. if( isH2L ) begin i <= i + 1'b1; end
47.
48. 1: // H2L debounce
49. if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
50. else C1 <= C1 + 1'b1;
51.
52. 2: // Wait L2H
53. if( isL2H ) i <= i + 1'b1;
54.
55. 3: // L2H debounce
56. if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
57. else C1 <= C1 + 1'b1;
58.
59. 4: // Key Tag Check
60. if( isH2L && C1 <= T100MS -1 ) begin isTag <= 2'd2; C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
61. else if( C1 >= T100MS -1) begin isTag <= 2'd1; C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
62. else C1 <= C1 + 1'b1;
63.
64. 5: // Key trigger press up
65. if( isTag == 2'd2 ) begin isDClick <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
66. else if( isTag == 2'd1 ) begin isSClick <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
67.
68. 6: // Key trigger pree down
69. begin { isSClick , isDClick } <= 2'b00; i <= i + 1'b1; end
70.
71. 7: // L2H deounce check
72. if( isTag == 2'd1 ) begin isTag <= 2'd0; i <= 4'd0; end
73. else if( isTag == 2'd2 ) begin isTag <= 2'd0; i <= i + 1'b1; end
74.
75. 8: // Wait L2H
76. if( isL2H ) begin i <= i + 1'b1; end
77.
78. 9: // L2H debounce
79. if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 28'd0; i <= 4'd0; end
80. else C1 <= C1 + 1'b1;
81.
82. endcase
以上內容為核心操作。具體過程如下所示：
步驟0，等待第一次按下事件；
步驟1，過濾抖動；
步驟2，等待第一次釋放事件；
步驟3，過濾抖動；
步驟4，如果100ms發生第二回按下事件，isTag設定為2，反之isTag設定為1；
步驟5~6，根據isTag的內容拉高又拉低 isDClick或者 isSClick；
步驟7，根據S內容，S為1便清除S然後返回步驟0。反之，isTag為2就清除isTag然後步驟繼續前進；
步驟8，等待第二次釋放事件；
步驟9:，過濾抖動然後返回步驟0。
83.
84. /*************************/ // sub-demo
85.
86. reg [1:0]D1;
87.
88. always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
89. if( !RESET )
90. D1 <= 2'd0;
91. else if( isDClick )
92. D1[1] <= ~D1[1];
93. else if( isSClick )
94. D1[0] <= ~D1[0];
95.
96. /***************************/
97.
98. assign LED = D1;
99.
100. endmodule
以上內容為演示用的周邊操作以及輸出驅動宣告。它會根據 isDClick 還有 isSClick的高脈衝翻轉 D1[1] 還有 D1[0] 的內容。第98行則是輸出驅動宣告。編譯完後便下載程式。
當我們雙擊 <KEY2> 建 LED[1] 就會發亮，然後再雙擊 <KEY2> 建 LED[1] 則會消滅，發生雙擊的前提條件是 ... 第一次按下時間的100ms之內必須發生第二次按下時間才能成立。換之，如果我們單擊 <KEY2>建 LED[0] 便會發亮，再單擊 <KEY2> 建 LED[0]則會消滅。
細節一： 雙擊的敏感度
parameter T100MS = 28'd5_000_000;
parameter T200MS = 28'd10_000_000;
parameter T300MS = 28'd15_000_000;
parameter T400MS = 28'd20_000_000;
parameter T500MS = 28'd25_000_000;
程式碼4.1
程式碼4.1是key_funcmod 的部分內容，亦即100ms~500ms的時間宣告。所謂雙擊的敏感度就是按鍵第二次按下所有效的時限。事實上，有效時間100ms 已經足夠應付一般“雙擊”要求，然而“雙擊”的敏感度除了人為連打極限這個因數以外，還有按鍵資源本身。開發板常見的按鍵都是經濟型機械按鍵，手感較為遲鈍，所以有效時間推薦在100ms~500ms範圍之內。
如果讀者所使用的按鍵資源是精緻的傢伙，想必手感一定很爽，例如滑鼠之類的按鍵，100ms 有效時間可能會影響雙擊的敏感度。為此，有效時間必須設定在 40ms~100ms的範圍，常見的有效時間是50ms。最後不管怎麼樣，手感還有敏感度這種東西非常曖昧，完全因人而異 ... 也有傳言說那些骨灰級的遊戲滑鼠是可以自定義敏感度，事實究竟如何？對於筆者這種遊戲冷漠者則是永遠的迷。
細節二：完成的個體模組
圖4.5 完整的按鍵功能模組。
如圖4.5所示，那是完整的按鍵功能模組，輸入端一邊的KEY連線至按鍵資源，Trig[1]產生“單擊”的個高脈衝，Trig[0]產生“雙擊”的個高脈衝。
key_funcmod.v
1. module key_funcmod
2. (
3. input CLOCK, RESET,
4. input KEY,
5. output [1:0]oTrig
6. );
7. parameter T10MS = 28'd500_000;
8. parameter T100MS = 28'd5_000_000;
9. parameter T200MS = 28'd10_000_000;
10. parameter T300MS = 28'd15_000_000;
11. parameter T400MS = 28'd20_000_000;
12. parameter T500MS = 28'd25_000_000;
13.
14. /**********************************/ //sub
15.
16. reg F2,F1;
17.
18. always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
19. if( !RESET )
20. { F2, F1 } <= 2'b11;
21. else
22. { F2, F1 } <= { F1, KEY };
23.
24. /**********************************/ //core
25.
26. wire isH2L = ( F2 == 1 && F1 == 0 );
27. wire isL2H = ( F2 == 0 && F1 == 1 );
28. reg [3:0]i;
29. reg isDClick,isSClick;
30. reg [1:0]isTag;
31. reg [27:0]C1;
32.
33. always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
34. if( !RESET )
35. begin
36. i <= 4'd0;
37. isDClick <= 1'd0;
38. isSClick <= 1'b0;
39. isTag <= 2'd0;
40. C1 <= 28'd0;
41. end
42. else
43. case(i)
44.
45. 0: // Wait H2L
46. if( isH2L ) begin i <= i + 1'b1; end
47.
48. 1: // H2L debounce
49. if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
50. else C1 <= C1 + 1'b1;
51.
52. 2: // Wait L2H
53. if( isL2H ) i <= i + 1'b1;
54.
55. 3: // L2H debounce
56. if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
57. else C1 <= C1 + 1'b1;
58.
59. 4: // Key Tag Check
60. if( isH2L && C1 <= T100MS -1 ) begin isTag <= 2'd2; C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
61. else if( C1 >= T100MS -1) begin isTag <= 2'd1; C1 <= 28'd0; i <= i + 1'b1; end
62. else C1 <= C1 + 1'b1;
63.
64. 5: // Key trigger press up
65. if( isTag == 2'd2 ) begin isDClick <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
66. else if( isTag == 2'd1 ) begin isSClick <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
67.
68. 6: // Key trigger pree down
69. begin { isSClick , isDClick } <= 2'b00; i <= i + 1'b1; end
70.
71. 7: // L2H deounce check
72. if( isTag == 2'd1 ) begin isTag <= 2'd0; i <= 4'd0; end
73. else if( isTag == 2'd2 ) begin isTag <= 2'd0; i <= i + 1'b1; end
74.
75. 8: // Wait L2H
76. if( isL2H ) begin i <= i + 1'b1; end
77.
78. 9: // L2H debounce
79. if( C1 == T10MS -1 ) begin C1 <= 28'd0; i <= 4'd0; end
80. else C1 <= C1 + 1'b1;
81.
82. endcase
83.
84. /***************************/
85.
86. assign oTrig = { isSClick,isDClick };
87.
88. endmodule
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