至简设计系列

–作者：小黑同学 本文为明德扬原创及录用文章，转载请注明出处！

1.1 总体设计 1.1.1 概述 数字时钟是采用数字电路技术实现时、分、秒计时显示的装置，可以用数字同时显示时，分，秒的精确时间并实现准确校时，具备体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求高、高精确性、容易开发等特性，在工业控制系统、智能化仪器表、办公自动化系统等诸多领域取得了极为广泛的应用，诸如自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自定启闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电器的自动启用等。与传统表盘式机械时钟相比，数字时钟具有更高的准确性和直观性，由于没有机械装置，其使用寿命更长。

1.1.2 设计目标 本设计要求实现可设置的数字时钟（速度快10倍，每过0.1s，秒数加1），具体要求如下：

1.1.3 系统结构框图 系统结构框图如下所示： 结构图共分两个，如果使用的开发板上是普通按键的时候，对应的结构图是图一。如果使用的开发板上是矩阵键盘的时候，对应的结构图是图二。 图一

图二

1.1.4 模块功能 按键检测模块实现功能 将外来异步信号打两拍处理，将异步信号同步化； 实现20ms按键消抖功能，并输出有效按键信号。 矩阵键盘模块实现功能 将外来异步信号打两拍处理，将异步信号同步化； 实现20ms按键消抖功能； 实现矩阵键盘的按键检测功能，并输出有效按键信号。 时间产生模块实现功能 产生时间数据； 根据接收到的不同的按键信号，产生暂停、开启、设置时间的功能。 数码管显示模块实现功能 对接收到的时间数据进行译码。

1.1.5 顶层信号

1.1.6 参考代码 下面是使用普通按键的顶层代码：

1.2 按键检测模块设计 1.2.1 接口信号

1.2.2 设计思路 硬件电路 独立式按键工作原理如上图所示，4条输入线连接到FPGA的IO口上，当按键S1按下时，3.3V的电源通过电阻R53再通过按键S1最终进入GND形成一条通路，这条线路的全部电压都加在R53上，则KS0是低电平。当松开按键后，线路断开，就不会有电流通过，KS0应该是3.3V，为高电平。我们可以通过KS0这个IO口的高低电平状态来判断是否有按键按下。其他按键原理与S1一致。 从图上可以看出，如果我们按下按键，那么按键就会接通并连接到低电平GND，如果我们没有按下，那么按键就会断开并接到3.3V，因此按键为低电平有效。通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开或者闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械式按键在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，如果不进行处理，会使系统识别到抖动信号而进行不必要的反应，导致模块功能不正常，为了避免这种现象的产生，需要进行按键消抖的操作

按键消抖 按键消抖主要分为硬件消抖和软件消抖。两个“与非”门构成一个RS触发器为常用的硬件消抖。软件方法消抖，即检测出键闭合后执行一个延时程序，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～20ms，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认按下按键操作有效。当检测到按键释放后，也要给5ms～20ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。经过按键消抖的行人优先按键，判断按键有效后，按键信号传递给控制系统，控制系统再进入相应的处理程序。

由于按键按下去的时间一般都会大于20ms，为了达到不管按键按下多久，都视为按下一次的效果，提出以下计数器架构，如下图所示： 消抖计数器cnt：用于计算20ms的时间，加一条件为flag==0 &&（&key_in_ff1 == 0），表示当某个按键按下就开始计数；结束条件为100000，表示数到20ms就结束 按键：表示被按下的按键，没被按下时为高电平，按下后为低电平。 Flag_add：20ms指示信号，默认为低电平，当按键按键按下20ms后变为高电平，直到按键信号变为高电平，重新拉低。

1.2.3 参考代码 使用明德扬的计数器模板，可以很快速很熟练地写出按键消抖模块。