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[導讀]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

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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