按鍵消抖在單片機(jī)和FPGA實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

徐能謀 張海峰（ 通訊作者）

引言：按鍵作為當(dāng)今許多智能設(shè)備、計(jì)算機(jī)和工業(yè)控制領(lǐng)域的人機(jī)接口，為了能讓按鍵穩(wěn)定有效的工作，按鍵消抖一直是在使用按鍵時(shí)必須解決的。在長(zhǎng)期的科研與教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，按鍵消抖往往是高校學(xué)生在剛開(kāi)始學(xué)習(xí)按鍵時(shí)比較難處理的問(wèn)題。初學(xué)者即使掌握一些延時(shí)等按鍵消抖方法，但在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中還是經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)消抖不完全等問(wèn)題，特別是利用單片機(jī)做一些大項(xiàng)目的時(shí)候，往往會(huì)出現(xiàn)不同的模塊之間相互干擾，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不正常工作；在進(jìn)入到EDA課程的學(xué)習(xí)中，在面對(duì)FPGA的按鍵消抖時(shí)，很多學(xué)生又會(huì)不知所措，無(wú)法用硬件描述語(yǔ)言去生成一個(gè)合適的消抖電路。因此，在單片機(jī)和FPGA實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生掌握好按鍵消抖對(duì)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和思維方式有著重要意義。

無(wú)論是矩陣按鍵還是獨(dú)立按鍵，在實(shí)際使用時(shí)，必須經(jīng)過(guò)消抖處理。在單片機(jī)中，按鍵消抖可以通過(guò)延時(shí)、定時(shí)器等實(shí)現(xiàn)；在FPGA中可以則使用邊沿檢測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)按鍵消抖，就按鍵消抖原理而言，和單片機(jī)的延時(shí)消抖沒(méi)有區(qū)別。但是，在單片機(jī)與FPGA中，按鍵消抖的具體實(shí)現(xiàn)方法有不同之處。除了本文中介紹的按鍵去抖動(dòng)的方法之外，還有很多處理按鍵抖動(dòng)的方法，例如使用狀態(tài)機(jī)來(lái)寫(xiě)按鍵消抖，在單片機(jī)和FPGA中都有著很好的消抖效果。

1 按鍵消抖原理

在單片機(jī)和FPGA實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，按鍵是經(jīng)常需要使用的重要模塊。按鍵通常有機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)按鍵在閉合或者斷開(kāi)的瞬間，都會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)。抖動(dòng)的時(shí)間在5～10ms內(nèi)，為了確保抖動(dòng)完全被消除，本文采用消抖時(shí)間為20ms。在按鍵按下和放開(kāi)時(shí)，按鍵的前沿抖動(dòng)和后沿抖動(dòng)如圖1所示。

圖1

按鍵消抖可以分為硬件消抖和軟件消抖兩大類(lèi)。去抖動(dòng)的原理基本相似，都是通過(guò)一定的方式，記錄下最開(kāi)始按鍵按下時(shí)的狀態(tài)，然后經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)，渡過(guò)按鍵的抖動(dòng)時(shí)間之后，再比較此時(shí)按鍵的狀態(tài)是否與延時(shí)之前的狀態(tài)相同，如果是相同的，那么就可以確定按鍵的確被按下；如果不同，則說(shuō)明是抖動(dòng)。在單片機(jī)中，通過(guò)與按鍵連接的I/O口電平來(lái)判斷狀態(tài)，延時(shí)則可以使用延時(shí)子程序?qū)崿F(xiàn)，也可以通過(guò)計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)；在FPGA中，延時(shí)可以通過(guò)編寫(xiě)硬件描述語(yǔ)言，例如Verilog HDL等，生成一個(gè)硬件去抖動(dòng)電路。

2 單片機(jī)按鍵消抖

2.1 單片機(jī)按鍵硬件消抖

在單片機(jī)的教學(xué)實(shí)踐中，常用的硬件去抖動(dòng)的方法是在按鍵兩端并聯(lián)小電容，可以起到一定的去抖動(dòng)的作用。利用電容的充放電特性來(lái)對(duì)抖動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生電壓毛刺進(jìn)行平滑處理，從而實(shí)現(xiàn)按鍵消抖。但是同樣也存在明顯的缺點(diǎn)，這種消抖方式的效果往往不是很好，而且還增加了成本和電路復(fù)雜度，所以，在實(shí)際應(yīng)用中使用的并不多。

2.2 單片機(jī)按鍵軟件消抖

軟件延時(shí)函數(shù)延時(shí)去抖動(dòng)方式在程序較小、程序規(guī)模不大、單片機(jī)連接的外設(shè)不多時(shí)，去抖動(dòng)的效果很好。但是，在使用單片機(jī)開(kāi)發(fā)程序規(guī)模和單片機(jī)連接多個(gè)外設(shè)時(shí)，采用延時(shí)函數(shù)去抖動(dòng)有著很明顯的缺陷。首先，單片機(jī)的CPU資源非常少，延時(shí)消抖與等待釋放需要消耗 CPU 運(yùn)行時(shí)間，執(zhí)行效率低下；其次，當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，CPU相當(dāng)于一直在等待延時(shí)和釋放，執(zhí)行空語(yǔ)句，從而會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)中的其他外設(shè)由于得不到CPU資源無(wú)法正常工作。

軟件延時(shí)函數(shù)延時(shí)去抖動(dòng)在面對(duì)規(guī)模較大的單片機(jī)開(kāi)發(fā)時(shí)，缺點(diǎn)太突出，使得CPU使用效率下降。因此，當(dāng)在進(jìn)行較大規(guī)模單片機(jī)開(kāi)發(fā)時(shí)，可以采用定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵的去抖動(dòng)，從而解決CPU利用率低的問(wèn)題。不過(guò)，隨之出現(xiàn)的問(wèn)題是，單片機(jī)的中斷源相對(duì)較少，因此，在單片機(jī)中采用軟件消抖時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際情況選擇合適的按鍵去抖動(dòng)方案。

2.2.1 延時(shí)消抖

軟件延時(shí)消抖的原理，就是當(dāng)檢測(cè)到按鍵狀態(tài)變化之后，先延時(shí)等待20ms，讓抖動(dòng)消失之后再進(jìn)行一次按鍵狀態(tài)檢測(cè)，如果與剛才檢測(cè)到的狀態(tài)相同，就可以確認(rèn)按鍵已經(jīng)穩(wěn)定的動(dòng)作了。下面是軟件延時(shí)消抖的參考程序：

//按鍵軟件延時(shí)消抖

void key_deal(keyin)

{

if(keyin==0)//按鍵剛剛按下

{

delay(20)；// 延時(shí) 20ms

if(keyin==0)//確認(rèn)按鍵被按下

{

while(keyin==0) ；//等待按鍵釋放

keyout=0；//此時(shí)按鍵抖動(dòng)已去除

}

else keyout=1；

}

else keyout=1；

}

上面的程序是一個(gè)簡(jiǎn)單的按鍵延時(shí)消抖程序，作為一個(gè)簡(jiǎn)單延時(shí)消抖例程。但是，在實(shí)際的單片機(jī)做項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)，程序往往很大，狀態(tài)值也很多，主程序要不停的進(jìn)行掃描，判斷各種狀態(tài)值是否發(fā)生變化，及時(shí)的進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，但是，delay語(yǔ)句會(huì)導(dǎo)致CPU被占用，主程序得不到執(zhí)行，如果外部時(shí)間恰好在程序執(zhí)行delay語(yǔ)句中發(fā)生，這樣很容易使的單片機(jī)丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)，最終導(dǎo)致系統(tǒng)不正常工作。

2.2.2 定時(shí)中斷消抖

為了解決軟件延時(shí)消抖帶來(lái)的弊端，同時(shí)又要完成按鍵去抖動(dòng)，此時(shí)，可以采用定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)按鍵消抖。定時(shí)中斷消抖很好的避免了延時(shí)消抖中占用單片機(jī)的執(zhí)行時(shí)間，當(dāng)主程序檢測(cè)到按鍵被按下時(shí)，開(kāi)啟定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間設(shè)置為20ms，當(dāng)?shù)竭_(dá)定時(shí)時(shí)間之后將定時(shí)標(biāo)志位置1。在主程序中，檢測(cè)到定時(shí)標(biāo)志為置1之后停止定時(shí)器，同時(shí)判斷按鍵是否仍然被按下，如果是，那么按鍵消抖完成并且按鍵已經(jīng)穩(wěn)定，否則按鍵沒(méi)有被成功按下。

雖然定時(shí)中斷消抖可以解決延時(shí)消抖的弊端，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，單片機(jī)的中斷源相對(duì)少，當(dāng)工程項(xiàng)目很大時(shí)，中斷源將會(huì)不夠用，此時(shí)，定時(shí)中斷消抖顯然不太合適。為了解決定時(shí)中斷消抖在面對(duì)中斷源較少時(shí)的情況，還可以采用狀態(tài)機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)按鍵消抖。

3 FPGA按鍵消抖

在FPGA開(kāi)發(fā)中，硬件去抖動(dòng)電路時(shí)十分常用，利用硬件描述語(yǔ)言，可以直接生成硬件去抖動(dòng)的電路。與單片機(jī)中的按鍵消抖相比，F(xiàn)PGA最大的優(yōu)勢(shì)在與電路的可靠性高，而不像單片機(jī)十分依賴(lài)于軟件，并且，生成的所有硬件都可以并行運(yùn)行，沒(méi)有單片機(jī)串行運(yùn)行的限制。因此，在FPGA中做硬件去抖動(dòng)電路比在單片機(jī)上做要更簡(jiǎn)單。

采用與單片機(jī)軟件消抖的原理，F(xiàn)PGA中按鍵消抖的基本思想是：首先，外部需要提供一個(gè)時(shí)鐘，然后每個(gè)時(shí)鐘上升沿都來(lái)的時(shí)候都去檢查看按鍵狀態(tài)是否發(fā)生變化，如果變化，則相應(yīng)的計(jì)數(shù)器啟動(dòng)，當(dāng)計(jì)數(shù)器記滿(mǎn)一定時(shí)間并且期間按鍵值沒(méi)有變化時(shí)，說(shuō)明此時(shí)的按鍵值是穩(wěn)定的，可以讀取。然后根據(jù)去抖動(dòng)之后的按鍵值的變化做相應(yīng)的功能處理。

在FPGA中，采用延時(shí)消抖有兩種方法，一種是將抖動(dòng)時(shí)間計(jì)算在延時(shí)時(shí)間內(nèi)，從按鍵按下開(kāi)始，計(jì)時(shí)器工作，當(dāng)計(jì)數(shù)滿(mǎn)足20ms之后，判斷按鍵是否仍然被按下，從而實(shí)現(xiàn)按鍵消抖。下面是使用Verilog HDL編寫(xiě)的按鍵消抖參考程序：

always @(posedge CLK_1kHz)

begin

if(keyin==0 & KL==0)

KL＜=1；

else if(KL＞0 & KL＜20)

KL＜=KL+1；

else if(KL==20 & keyin==0)

begin keyout＜=1`b0；KL＜=0；end

else

keyout＜=1`b1；

end

同時(shí)，利用Maxplus II對(duì)程序進(jìn)行波形仿真，在輸入上手動(dòng)加上一些抖動(dòng)，觀察輸出。波形仿真如圖2所示。

圖2

從仿真波形圖可以看出，這種方法可以消除按鍵的抖動(dòng)。另一種方法就是不計(jì)算抖動(dòng)時(shí)間，讀取按鍵當(dāng)前值并且按鍵值在20ms內(nèi)一直保持不變后，就可以確定按鍵進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)再讀取該按鍵的值，實(shí)現(xiàn)按鍵去抖動(dòng)。下面是使用Verilog HDL編寫(xiě)的按鍵消抖參考程序：

//按鍵去抖動(dòng)處理 key是按鍵 CLK頻率是1kHz keyout是去抖動(dòng)之后的按鍵值

always @(posedge CLK_1kHz)//記錄按鍵在高電平下穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間

begin

if(！keyin) KL＜=KL+1；

else KL＜=0；

end

always @(posedge CLK_1kHz)//記錄按鍵在低電平下穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間

begin

if(keyin) KH＜=KH+1；

else KH＜=0；

end

always @(posedge CLK_1kHz)//判斷按鍵穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間是否達(dá)到20ms

begin

if(KH＞20) keyout＜=1`b1；

else if(KL＞20) keyout＜=1`b0；

end

同時(shí)，利用Maxplus II對(duì)程序進(jìn)行波形仿真，在輸入上手動(dòng)加上一些抖動(dòng)，觀察輸出。波形仿真如圖3所示。

圖3

經(jīng)過(guò)波形仿真可以看出，第二種方法顯然可以很好的解決按鍵抖動(dòng)，消除了前沿和后沿抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了按鍵消抖。

上面兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)FPGA按鍵消抖。然而，相比于第一種消抖方式，第二種消抖方式更為常用和有效。首先，第二種方式具有前沿和后沿消抖；其次，在按鍵按下或者放開(kāi)的過(guò)程中，如果按鍵存在毛刺，那么該電路也可以有效的消除這些毛刺，使得電路更加穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

在單片機(jī)和FPGA實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用本文介紹的按鍵消抖方法可以有效的處理按鍵在動(dòng)作時(shí)的抖動(dòng)問(wèn)題。除了上述介紹的一些按鍵去抖動(dòng)的方法之外，還有很多按鍵消抖的方法，像利用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)去消抖、累乘消抖[4]等，這些去抖動(dòng)的方法也具有很強(qiáng)的實(shí)用性。在眾多的按鍵消抖方式中，每種方法各有利弊，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)或者項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際的軟件資源、硬件資源、成本等綜合考慮，從中選出合適的按鍵消抖方式。