系統(tǒng)的信號(hào)輸入中，鍵盤因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而被廣泛使用。因此，對(duì)鍵盤的輸入（邏輯0或1）進(jìn)行準(zhǔn)確采樣，避免錯(cuò)誤輸入是非常有必要的。理想的鍵盤輸入特性如圖1所示：按鍵沒(méi)有按下時(shí)，輸入為邏輯1，一旦按下則輸入立刻變?yōu)檫壿?，松開(kāi)時(shí)輸入則立刻變?yōu)檫壿?。
圖 1理想鍵盤輸入特性
然而實(shí)際的鍵盤受制造工藝等影響，其輸入特性不可能如圖1完美。當(dāng)按鍵按下時(shí)，在觸點(diǎn)即將接觸到完全接觸這段時(shí)間里，鍵盤的通斷狀態(tài)很可能已經(jīng)改變了多次。即在這段時(shí)間里，鍵盤輸入了多次邏輯0和1，也就是輸入處于失控狀態(tài)。如果這些輸入被系統(tǒng)響應(yīng)，則系統(tǒng)暫時(shí)也將處于失控狀態(tài)，這是我們要盡量避免的。在觸點(diǎn)即將分離到完全分離這段時(shí)間也是一樣的。實(shí)際鍵盤的輸入特性如圖2所示：
圖 2實(shí)際鍵盤輸入特性
我們可以看到：鍵盤在輸入邏輯轉(zhuǎn)換時(shí)，實(shí)際上是產(chǎn)生了瞬時(shí)的高頻干擾脈沖。按鍵消抖的目的在于消除此干擾，以達(dá)到接近圖1所示的理想輸入特性。有兩個(gè)階段可以設(shè)法消除此干擾：1.在鍵盤信號(hào)輸入系統(tǒng)之前（系統(tǒng)外）；2.鍵盤信號(hào)輸入系統(tǒng)以后（系統(tǒng)內(nèi)）。
在信號(hào)輸入系統(tǒng)之前將抖動(dòng)干擾消除，可以節(jié)省系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)對(duì)其他信號(hào)的響應(yīng)能力，也就是硬件消抖。一種比較巧妙的硬件消抖電路結(jié)構(gòu)如圖3所示：
圖 3用基本SR鎖存器構(gòu)成的消抖電路
該電路利用基本SR鎖存器的記憶作用消除開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)振動(dòng)所產(chǎn)生的影響。開(kāi)關(guān)S每切換一次，輸出端只有一次翻轉(zhuǎn)，不存在抖動(dòng)波形（讀者可以根據(jù)SR鎖存器功能自行分析，此處略）。但是使用SR鎖存器消抖只適用于單刀雙擲開(kāi)關(guān)，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中常用的鍵盤多是兩個(gè)接線端的按鍵。對(duì)此類按鍵的常用硬件消抖電路如圖4所示：
圖 4常用鍵盤硬件消抖電路
此電路利用電容平波，再經(jīng)過(guò)施密特反相器整形之后就得到了沒(méi)有毛刺的脈沖波。
軟件消抖要占用系統(tǒng)資源，在系統(tǒng)資源充足的情況下使用軟件消抖更加簡(jiǎn)單。軟件消抖的實(shí)質(zhì)在于降低鍵盤輸入端口的采樣頻率，將高頻抖動(dòng)略去。實(shí)際應(yīng)用中通常采用延時(shí)跳過(guò)高頻抖動(dòng)區(qū)間，然后再檢測(cè)輸入做出相應(yīng)處理。一般程序代碼如下：
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if(value == 0) //一旦檢測(cè)到鍵值 { Delay(); //延時(shí)20ms，有效濾除按鍵的抖動(dòng) if(value == 0) //再次確定鍵值是否有效 { …… //執(zhí)行相應(yīng)處理 } } |
這段軟消抖程序從機(jī)理上看不會(huì)有什么問(wèn)題，通常在軟件程序不太"繁忙"的情況下也能夠很好的消抖并做相應(yīng)處理。但是如果在延時(shí)期間產(chǎn)生了中斷，則此中斷可能無(wú)法得到響應(yīng)。
對(duì)于硬件資源豐富的FPGA系統(tǒng)，可以使用硬件來(lái)減輕軟件工作量，通常稱之為"硬件加速"。在按鍵信號(hào)輸入到軟件系統(tǒng)前用邏輯對(duì)其進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的處理即可實(shí)現(xiàn)所謂的"硬件消抖"，verilog代碼如下：
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//對(duì)輸入信號(hào)inpio硬件濾波，每20ms采樣一次當(dāng)前值 reg[18:0] cnt; //20ms計(jì)數(shù)器 always @(posedge clk_25m or negedge rst_n) if(!rst_n) cnt <= 19'd0; else if(cnt < 19'd500000) cnt <= cnt+1'b1; else cnt <= 19'd0; reg[1:0] inpior; //當(dāng)前inpio信號(hào)鎖存，每20ms鎖存一拍 always @(posedge clk_25m or negedge rst_n) if(!rst_n) inpior <= 2'b11; else if(cnt == 19'h7ffff) inpior <= {inpior[0],inpior}; wire inpio_swin =inpior[0] | inpior[1]; //前后20ms兩次鎖存值都為0時(shí)才為0 |
該程序中設(shè)置了一個(gè)20ms計(jì)數(shù)器，通過(guò)間隔20ms對(duì)輸入信號(hào)inpio采樣兩次，兩次相同則認(rèn)為鍵盤輸入穩(wěn)定，得到用硬件邏輯處理后的inpio_swin信號(hào)則是消抖處理過(guò)的信號(hào)。軟件程序就不再需要delay()來(lái)濾波了，也不會(huì)出現(xiàn)使用純軟件處理出現(xiàn)的"中斷失去響應(yīng)"的情況了，這就是"硬件加速"的效果。
上述verilog代碼采用間隔采樣來(lái)達(dá)到消抖的目的，對(duì)于不同物理特性的鍵盤，最佳的間隔時(shí)間采樣時(shí)間也不同，因此還存在一些不穩(wěn)定因素。下面介紹一種更好的軟消抖程序，同樣采用"硬件加速"，不同之處在于使用了有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其VHDL代碼如下：
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LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; USE ieee.std_logic_unsigned.all; ENTITY xiaod IS //端口描述：clk 輸入檢測(cè)時(shí)鐘；reset 復(fù)位信號(hào)；din 原始按鍵信號(hào)輸入； dout 去抖動(dòng)輸出信號(hào) PORT ( clk : IN STD_LOGIC ; reset : IN STD_LOGIC ; din : IN STD_LOGIC ; dout : OUT STD_LOGIC ); END ENTITY;
ARCHITECTURE RTL OF xiaod IS TYPE state IS( s0,s1,s2,s3); SIGNAL pre_s, next_s: state; BEGIN
P0:PROCESS( reset, clk ) BEGIN if reset = '0' then pre_s <= s0; elsif rising_edge( clk ) then pre_s <= next_s; else null; end if; END PROCESS P0;
P1:PROCESS( pre_s, next_s, din ) BEGIN case pre_s is when s0 => dout <= '1'; if din = '1' then next_s <= s0; else next_s <= s1; end if; when s1 => dout <= '1'; if din = '1' then next_s <= s0; else next_s <= s2; end if; when s2 => dout <= '1'; if din = '1' then next_s <= s0; else next_s <= s3; end if; when s3 => dout <= '0'; if din = '1' then next_s <= s0; else next_s <= s1; end if; end case; END PROCESS P1; END RTL; |
該VHDL代碼描述了一個(gè)狀態(tài)機(jī)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖所示：
圖 5狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
該狀態(tài)機(jī)有4個(gè)狀態(tài)：S0、S1、S2、S3，其中前3個(gè)狀態(tài)輸出高電平，最后一個(gè)狀態(tài)輸出低電平。初始狀態(tài)為S0，設(shè)按鍵未按下時(shí)為高電平，按下則為低電平。在按鍵按下到完全生效期間有一系列的抖動(dòng)，對(duì)于持續(xù)時(shí)間為1-2個(gè)時(shí)鐘周期的低電平抖動(dòng)將被消除，對(duì)于持續(xù)時(shí)間為3個(gè)或以上時(shí)鐘周期的低電平則認(rèn)為按鍵有效，輸出一個(gè)時(shí)鐘周期的低電平脈沖（讀者可以根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖畫出相應(yīng)的時(shí)序圖進(jìn)行分析）。如果持續(xù)輸入為低電平，則每隔兩個(gè)時(shí)鐘周期輸出一個(gè)低電平，此時(shí)認(rèn)為按鍵處于"長(zhǎng)按"輸入狀態(tài)，可以編程設(shè)置相應(yīng)功能。在按鍵松開(kāi)階段其抖動(dòng)也可以一樣被消除。
適用于FPGA的按鍵消抖方法還有一些，如計(jì)數(shù)器型、D觸發(fā)器型等，在此就不作介紹了。
通過(guò)上面一些按鍵消抖方法的介紹分析，我們可以看到，傳統(tǒng)單片機(jī)等系統(tǒng)大多是串行處理，即順序執(zhí)行，只能并行處理一些中斷程序。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，只能采用單純軟件或硬件消抖，但都不那么完美。而對(duì)于FPGA等并行處理的系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)就很明顯，只要片內(nèi)邏輯資源夠用，通過(guò)硬件加速軟件消抖的處理，完全可以做到按鍵消抖并行化，不影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
