摘要：按鍵被廣泛用于基于FPGA的數(shù)字電路系統(tǒng)設計中，機械式按鍵開關(guān)在按鍵操作時經(jīng)常會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，如果不進行消除將會造成電路系統(tǒng)的誤操作?；诖私榻B了基于VHDL語言的計數(shù)器型消抖電路、D觸發(fā)器型消抖電路、狀態(tài)機型消抖電路的工作原理、相關(guān)程序、波形仿真及結(jié)果分析，并下栽到EP2C35F672C8芯片上進行驗證，消抖效果良好，性能穩(wěn)定，可廣泛用于FPGA的按鍵電路中。
關(guān)鍵詞：VHDL；消抖；FPGA
0 引言
按鍵開關(guān)是許多電子產(chǎn)品不可缺少的輸入設備，在智能化電子產(chǎn)品中，按鍵開關(guān)作為人機交互的主要器件之一，可以實現(xiàn)人機對話，完成各種功能操作，而機械式按鍵開關(guān)由于其低成本、高可靠性被廣泛使用。在按鍵操作時，機械觸點的彈性及電壓突跳等原因，在觸點閉合或開啟的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動，實際應用中如果不進行處理將會造成誤觸發(fā)。常見的硬件消抖方法有：利用電容的充放電原理；利用RS觸發(fā)的保持功能；由同相器組成的積分去抖電路；用反相器組成的翻轉(zhuǎn)式去抖電路；不可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)等等。本文采用VHDL語言設計了幾種按鍵開關(guān)的消抖電路。
1 計數(shù)器型消抖電路
1．1 計數(shù)器型消抖電路(一)
計數(shù)器型消抖電路(一)是設置一個模值為(N+1)的控制計數(shù)器，clk在上升沿時，如果按鍵開關(guān)key_in='1'，計數(shù)器加1，key_in='0' 時，計數(shù)器清零。當計數(shù)器值為2時，key_out輸出才為1，其他值為0時。計數(shù)器值為N時處于保持狀態(tài)。因此按鍵key_in持續(xù)時間大于N個clk時鐘周期時，計數(shù)器輸出一個單脈沖，否則沒有脈沖輸出。如果按鍵開關(guān)抖動產(chǎn)生的毛刺寬度小于N個時鐘周期，因而毛刺作用不可能使計數(shù)器有輸出，防抖動目的得以實現(xiàn)。clk的時鐘周期與N的值可以根據(jù)按鍵抖動時間由設計者自行設定。
主要程序結(jié)構(gòu)如下：
圖1是N為3的波形仿真圖，當按鍵持續(xù)時間大于3個時鐘周期，計數(shù)器輸出一個單脈沖，其寬度為1個時鐘周期，小于3個時鐘周期的窄脈沖用作模擬抖動干擾，從圖1可以看出，抖動不能干擾正常的單脈沖輸出。
該方案的特點是能很好消除按鍵抖動產(chǎn)生的窄脈沖，還可以濾去干擾、噪音等其他尖峰波，但遇到脈寬大于N個Tclk時鐘周期的干擾、噪音等時會有輸出從而產(chǎn)生誤操作，而對于按鍵操作要求按鍵時間必須大于N個Tclk時鐘周期，否則按鍵操作也沒有輸出。
1．2 計數(shù)器型消抖電路(二)
計數(shù)器型消抖電路(二)是控制計數(shù)器工作一個循環(huán)周期(N+1個狀態(tài))，且僅在計數(shù)器為0時輸出為“1”。電路設計了連鎖控制設施。在計數(shù)器處于狀態(tài)0時，此時若有按鍵操作，則計數(shù)器進入狀態(tài)1，同時輸出單脈沖(其寬度等于時鐘周期)。計數(shù)器處于其他狀態(tài)，都沒有單脈沖輸出。計數(shù)器處于狀態(tài)N時，控制en='0'，導致計數(shù)器退出狀態(tài)N，進入狀態(tài)0。計數(shù)器能否保持狀態(tài)0，取決于人工按鍵操作，若按鍵key_ in='1'，控制en='1'(計數(shù)器能正常工作)，key_in='0'，計數(shù)器狀態(tài)保持。顯見計數(shù)器處于狀態(tài)0，人工不按鍵，則計數(shù)器保持狀態(tài)0。
主要程序結(jié)構(gòu)如下：
圖2是N為7的波形仿真圖。在計數(shù)器狀態(tài)為0時，key_in有按鍵操作，計數(shù)器開始連續(xù)計數(shù)直到計數(shù)器狀態(tài)為0；計數(shù)器狀態(tài)為1-7時，key _in任何操作對計數(shù)器工作無影響，計數(shù)器在狀態(tài)為1時，輸出一個單脈沖，脈沖寬度為1個時鐘周期。
該設計方案的特點是能很好消除按鍵抖動產(chǎn)生的連續(xù)脈沖，對按鍵時間沒有要求，缺點是在計數(shù)器狀態(tài)為0時，遇到干擾、噪音等時會有輸出，從而產(chǎn)生誤操作。
2 D觸發(fā)器型消抖電路
D觸發(fā)器型消抖電路設計了三個D觸發(fā)器與一個三輸入與門。三個D觸發(fā)器串行連接，其Q輸出端分別與三輸入與門的輸入端連接，D觸發(fā)器型消抖電路RTL電路如圖3所示。
主要程序結(jié)構(gòu)如下：
圖4為D觸發(fā)器型消抖電路波形仿真圖，由圖可見，當按鍵操作時間大于或等于clk時鐘周期的3倍時，輸出一個正脈沖，正脈沖的寬度比key_in少2個clk時鐘周期。
D觸發(fā)器型消抖電路與計數(shù)器型消抖電路(一)相似，計數(shù)器型消抖電路(一)輸出脈沖寬度是固定的，D觸發(fā)器型消抖電路輸出脈沖寬度隨著按鍵操作時間長短變化。
3 狀態(tài)機型消抖電路
狀態(tài)機型消抖電路采用有限狀態(tài)機的設計方法來描述與實現(xiàn)，狀態(tài)機有S0，S1，S2三種狀態(tài)，在S0狀態(tài)下key_out輸出為低電平，并以clk時鐘信號的頻率采樣按鍵輸入信號，如果key_in=‘0’，則保持在S0狀態(tài)，并繼續(xù)采樣按鍵輸入信號的狀態(tài)，如果key_in=‘1’，則轉(zhuǎn)入S1狀態(tài)；在S1狀態(tài)下key_out輸出仍為低電平，繼續(xù)采樣按鍵輸入信號的狀態(tài)，如果key_in=‘1’，則轉(zhuǎn)入S2狀態(tài)，如果key_in=‘0’則轉(zhuǎn)入
S0狀態(tài)；在S2狀態(tài)下繼續(xù)采樣按鍵輸入信號的狀態(tài)，如果key_in=‘1’，則保持在S2狀態(tài)，key_out輸出正脈沖，如果key_in=‘0’，則轉(zhuǎn)入S0狀態(tài)，key_out輸出低電平。
主要程序結(jié)構(gòu)如下：
圖5為狀態(tài)機型消抖電路波形仿真圖，由圖可見，該狀態(tài)機型消抖電路與D觸發(fā)器型消抖電路仿真結(jié)果一致。
4 結(jié)束語
采用VHDL語言實現(xiàn)按鍵的消抖電路的方法有很多，本文介紹的幾種消抖電路都通過仿真分析及實驗驗證，消抖效果良好，性能穩(wěn)定，而且各有自己的優(yōu)勢與缺點，設計者可以根據(jù)設計需求選擇使用。
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