按鍵消抖在單片機和FPGA實驗教學(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、計算機和工業(yè)控制領(lǐng)域的人機接口，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必須解決的。在長期的科研與教學(xué)實踐過程中，按鍵消抖往往是高校學(xué)生在剛開始學(xué)習(xí)按鍵時比較難處理的問題。初學(xué)者即使掌握一些延時等按鍵消抖方法，但在實際應(yīng)用的過程中還是經(jīng)常會出現(xiàn)消抖不完全等問題，特別是利用單片機做一些大項目的時候，往往會出現(xiàn)不同的模塊之間相互干擾，進而導(dǎo)致整個系統(tǒng)不正常工作；在進入到EDA課程的學(xué)習(xí)中，在面對FPGA的按鍵消抖時，很多學(xué)生又會不知所措，無法用硬件描述語言去生成一個合適的消抖電路。因此，在單片機和FPGA實驗教學(xué)中，讓學(xué)生掌握好按鍵消抖對提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和思維方式有著重要意義。

無論是矩陣按鍵還是獨立按鍵，在實際使用時，必須經(jīng)過消抖處理。在單片機中，按鍵消抖可以通過延時、定時器等實現(xiàn)；在FPGA中可以則使用邊沿檢測的方法實現(xiàn)按鍵消抖，就按鍵消抖原理而言，和單片機的延時消抖沒有區(qū)別。但是，在單片機與FPGA中，按鍵消抖的具體實現(xiàn)方法有不同之處。除了本文中介紹的按鍵去抖動的方法之外，還有很多處理按鍵抖動的方法，例如使用狀態(tài)機來寫按鍵消抖，在單片機和FPGA中都有著很好的消抖效果。

1 按鍵消抖原理

在單片機和FPGA實驗教學(xué)中，按鍵是經(jīng)常需要使用的重要模塊。按鍵通常有機械觸點，當(dāng)按鍵在閉合或者斷開的瞬間，都會出現(xiàn)抖動。抖動的時間在5～10ms內(nèi)，為了確保抖動完全被消除，本文采用消抖時間為20ms。在按鍵按下和放開時，按鍵的前沿抖動和后沿抖動如圖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。去抖動的原理基本相似，都是通過一定的方式，記錄下最開始按鍵按下時的狀態(tài)，然后經(jīng)過一定的延時，渡過按鍵的抖動時間之后，再比較此時按鍵的狀態(tài)是否與延時之前的狀態(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，則說明是抖動。在單片機中，通過與按鍵連接的I/O口電平來判斷狀態(tài)，延時則可以使用延時子程序?qū)崿F(xiàn)，也可以通過計時器實現(xiàn)；在FPGA中，延時可以通過編寫硬件描述語言，例如Verilog HDL等，生成一個硬件去抖動電路。

2 單片機按鍵消抖

2.1 單片機按鍵硬件消抖

在單片機的教學(xué)實踐中，常用的硬件去抖動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的作用。利用電容的充放電特性來對抖動過程中產(chǎn)生電壓毛刺進行平滑處理，從而實現(xiàn)按鍵消抖。但是同樣也存在明顯的缺點，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，在實際應(yīng)用中使用的并不多。

2.2 單片機按鍵軟件消抖

軟件延時函數(shù)延時去抖動方式在程序較小、程序規(guī)模不大、單片機連接的外設(shè)不多時，去抖動的效果很好。但是，在使用單片機開發(fā)程序規(guī)模和單片機連接多個外設(shè)時，采用延時函數(shù)去抖動有著很明顯的缺陷。首先，單片機的CPU資源非常少，延時消抖與等待釋放需要消耗 CPU 運行時間，執(zhí)行效率低下；其次，當(dāng)按鍵按下的時候，CPU相當(dāng)于一直在等待延時和釋放，執(zhí)行空語句，從而會導(dǎo)致單片機系統(tǒng)中的其他外設(shè)由于得不到CPU資源無法正常工作。

軟件延時函數(shù)延時去抖動在面對規(guī)模較大的單片機開發(fā)時，缺點太突出，使得CPU使用效率下降。因此，當(dāng)在進行較大規(guī)模單片機開發(fā)時，可以采用定時中斷來實現(xiàn)按鍵的去抖動，從而解決CPU利用率低的問題。不過，隨之出現(xiàn)的問題是，單片機的中斷源相對較少，因此，在單片機中采用軟件消抖時應(yīng)考慮實際情況選擇合適的按鍵去抖動方案。

2.2.1 延時消抖

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

//按鍵軟件延時消抖

void key_deal(keyin)

{

if(keyin==0)//按鍵剛剛按下

{

delay(20)；// 延時 20ms

if(keyin==0)//確認(rèn)按鍵被按下

{

while(keyin==0) ；//等待按鍵釋放

keyout=0；//此時按鍵抖動已去除

}

else keyout=1；

}

else keyout=1；

}

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

2.2.2 定時中斷消抖

為了解決軟件延時消抖帶來的弊端，同時又要完成按鍵去抖動，此時，可以采用定時中斷方式實現(xiàn)按鍵消抖。定時中斷消抖很好的避免了延時消抖中占用單片機的執(zhí)行時間，當(dāng)主程序檢測到按鍵被按下時，開啟定時器，定時時間設(shè)置為20ms，當(dāng)?shù)竭_定時時間之后將定時標(biāo)志位置1。在主程序中，檢測到定時標(biāo)志為置1之后停止定時器，同時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，否則按鍵沒有被成功按下。

雖然定時中斷消抖可以解決延時消抖的弊端，但是在實際應(yīng)用過程中，單片機的中斷源相對少，當(dāng)工程項目很大時，中斷源將會不夠用，此時，定時中斷消抖顯然不太合適。為了解決定時中斷消抖在面對中斷源較少時的情況，還可以采用狀態(tài)機的方法實現(xiàn)按鍵消抖。

3 FPGA按鍵消抖

在FPGA開發(fā)中，硬件去抖動電路時十分常用，利用硬件描述語言，可以直接生成硬件去抖動的電路。與單片機中的按鍵消抖相比，F(xiàn)PGA最大的優(yōu)勢在與電路的可靠性高，而不像單片機十分依賴于軟件，并且，生成的所有硬件都可以并行運行，沒有單片機串行運行的限制。因此，在FPGA中做硬件去抖動電路比在單片機上做要更簡單。

采用與單片機軟件消抖的原理，F(xiàn)PGA中按鍵消抖的基本思想是：首先，外部需要提供一個時鐘，然后每個時鐘上升沿都來的時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)的計數(shù)器啟動，當(dāng)計數(shù)器記滿一定時間并且期間按鍵值沒有變化時，說明此時的按鍵值是穩(wěn)定的，可以讀取。然后根據(jù)去抖動之后的按鍵值的變化做相應(yīng)的功能處理。

在FPGA中，采用延時消抖有兩種方法，一種是將抖動時間計算在延時時間內(nèi)，從按鍵按下開始，計時器工作，當(dāng)計數(shù)滿足20ms之后，判斷按鍵是否仍然被按下，從而實現(xiàn)按鍵消抖。下面是使用Verilog HDL編寫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，利用Maxplus II對程序進行波形仿真，在輸入上手動加上一些抖動，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。另一種方法就是不計算抖動時間，讀取按鍵當(dāng)前值并且按鍵值在20ms內(nèi)一直保持不變后，就可以確定按鍵進入了穩(wěn)定狀態(tài)，此時再讀取該按鍵的值，實現(xiàn)按鍵去抖動。下面是使用Verilog HDL編寫的按鍵消抖參考程序：

//按鍵去抖動處理 key是按鍵 CLK頻率是1kHz keyout是去抖動之后的按鍵值

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)時間是否達到20ms

begin

if(KH＞20) keyout＜=1`b1；

else if(KL＞20) keyout＜=1`b0；

end

同時，利用Maxplus II對程序進行波形仿真，在輸入上手動加上一些抖動，觀察輸出。波形仿真如圖3所示。

圖3

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

上面兩種方法都可以實現(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的過程中，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

在單片機和FPGA實驗教學(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作時的抖動問題。除了上述介紹的一些按鍵去抖動的方法之外，還有很多按鍵消抖的方法，像利用狀態(tài)機實現(xiàn)去消抖、累乘消抖[4]等，這些去抖動的方法也具有很強的實用性。在眾多的按鍵消抖方式中，每種方法各有利弊，在實際的實驗或者項目開發(fā)時，需要根據(jù)實際的軟件資源、硬件資源、成本等綜合考慮，從中選出合適的按鍵消抖方式。