基于FPGA的按鍵彈跳消除模塊的研究與應(yīng)用

按鍵在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到。按鍵的彈跳現(xiàn)象是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的客觀問(wèn)題。按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)接觸點(diǎn)斷開(kāi)或閉合時(shí)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。為使每一次按鍵只做一次響應(yīng)，就必須去除抖動(dòng)。本文對(duì)按鍵的抖動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析，并通過(guò)計(jì)數(shù)器的方式完成了消除抖動(dòng)電路模塊的設(shè)計(jì)。把該模塊應(yīng)用到按鍵控制LCD顯示的系統(tǒng)中，并在Memec代理的Virtex-4 MB系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)板上實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)。消抖電路的效果良好，按鍵控制LCD顯示結(jié)果正常。

按鍵開(kāi)關(guān)是電子設(shè)備人機(jī)交互的主要器件之一。按鍵大多是機(jī)械式開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，由于機(jī)械式開(kāi)關(guān)的核心部件為彈性金屬簧片，因而在開(kāi)關(guān)切換的瞬間會(huì)在接觸點(diǎn)出現(xiàn)來(lái)回彈跳的現(xiàn)象。對(duì)于靈敏度比較高的電路，這種彈跳現(xiàn)象引起的信號(hào)抖動(dòng)會(huì)造成誤動(dòng)作而影響到系統(tǒng)的正確性。因此，我們需要設(shè)計(jì)按鍵彈跳消除電路來(lái)去除抖動(dòng).。

1.彈跳消除電路的原理和功能

按鍵開(kāi)關(guān)的典型連線分為低電平有效和高電平有效，本文的是低電平有效。

機(jī)械開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)存在三種情況：按下時(shí)有抖動(dòng)，松開(kāi)時(shí)也有抖動(dòng);按下時(shí)有抖動(dòng)，松開(kāi)時(shí)無(wú)抖動(dòng);按下時(shí)無(wú)抖動(dòng)，松開(kāi)時(shí)有抖動(dòng)。機(jī)械開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)波形、抖動(dòng)次數(shù)、抖動(dòng)時(shí)間都是隨機(jī)的，并不是每次都會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。

不同開(kāi)關(guān)的最長(zhǎng)抖動(dòng)時(shí)間也不同。抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短和機(jī)械開(kāi)關(guān)特性有關(guān)，一般為5ms到10ms。但是，某些開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20ms，甚至更長(zhǎng)。所以，在具體設(shè)計(jì)中要具體分析，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)。

彈跳現(xiàn)象以及彈跳消除如圖1 所示，雖然只是按下按鍵一次后放掉，結(jié)果在按鍵信號(hào)穩(wěn)定先后竟出現(xiàn)了多個(gè)段脈沖，如果將這樣的信號(hào)直接送到計(jì)數(shù)器之類的時(shí)序電路，結(jié)果將可能發(fā)生計(jì)數(shù)超過(guò)一次以上的誤動(dòng)作，從而誤以為鍵盤按了多次。因此，必須加上彈跳消除電路，除去短脈沖，避免誤操作的發(fā)生。

2.按鍵彈跳消除模塊的實(shí)現(xiàn)

為了使按鍵彈跳消除模塊的更加簡(jiǎn)潔，并且移植性好，在此用計(jì)數(shù)器的方式實(shí)現(xiàn)消除按鍵抖動(dòng)的功能。

2.1 計(jì)數(shù)器模值的計(jì)算

計(jì)數(shù)器模值的確定是按鍵彈跳消除效果的關(guān)鍵問(wèn)題，如果值過(guò)大，即采樣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)漏掉正確的信號(hào);如果值過(guò)小，采樣時(shí)間過(guò)短，則會(huì)將毛刺誤認(rèn)為是輸入信號(hào)。

計(jì)數(shù)器的模值n根據(jù)抖動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度和采樣信號(hào)clk的周期大小決定。根據(jù)一般人按鍵的速度小于10Hz(每秒小于10次)，所以按鍵時(shí)間大于100ms，按占空比50%計(jì)算，按下的時(shí)間大于50ms。按這種約定，我們認(rèn)為按下的時(shí)間小于50ms的為抖動(dòng)信號(hào)，按下的時(shí)間大于50ms的是按鍵信號(hào)。即n=50ms/采樣脈沖信號(hào)周期，這樣就可以把按下的時(shí)間小于50ms的抖動(dòng)信號(hào)濾掉。

在此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)板提供的系統(tǒng)時(shí)鐘來(lái)確定實(shí)際需要的模值。實(shí)驗(yàn)板提供的系統(tǒng)時(shí)鐘為100mHz，通過(guò)分頻后得到25mHz的時(shí)鐘，50ms*25mHz得到count的模值為21’h1312D0。采用這個(gè)模值得到的消抖時(shí)間大約為50ms，符合要求。

2.2 程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)高脈沖計(jì)數(shù)器count1和一個(gè)低脈沖計(jì)數(shù)器conut0。引入一個(gè)采樣脈沖信號(hào)clk,對(duì)輸入信號(hào)button_in進(jìn)行采樣，并對(duì)clk進(jìn)行計(jì)數(shù)。若button_in為高電平，count1做加法計(jì)數(shù)，直到count1各位全為1，停止計(jì)數(shù)，歸零，使消抖后的輸出信號(hào)button_out輸出1。若button_in為低電平，count0做加法計(jì)數(shù)，直到count0各位全為1，停止計(jì)數(shù)歸零，并使消抖后的輸出信號(hào)button_out輸出0。

部分程序如下：

module filter(clk,

reset,

button_in,

button_out);

input clk;

input reset;

input button_in;

output button_out;

wire buttong_out1;

reg [20:0] count0;

reg [20:0] count1;

reg button_out1_reg;

……

assign button_out=button_out1_reg;

//對(duì)輸入進(jìn)行采樣，計(jì)數(shù)

always@(posedge clk or negedge reset)

begin

if(!reset) count1<=21'h000000;

else if(button_out1==1'b1) count1<=count1+1;//對(duì)高電平計(jì)數(shù)

else count1<=21'h000000;

end

always@(posedge clk or negedge reset)

begin

if(!reset) count0<=21'h000000;

else if(button_out1==1'b0) count0<=count0+1;//對(duì)低電平計(jì)數(shù)

else count0<=21’h000000;

end

//輸出

always@(posedge clk or negedge reset

begin

if(!reset) button_out1_reg<=1'b1;

else if(count0==21'h1312D0) //判斷低電平信號(hào)是否符合輸出條件

button_out1_reg<=1'b0; //如果符合條件，則輸出低電平

else if(count1==21'h1312D0) //判斷低電平信號(hào)是否符合輸出條件

button_out1_reg<=1'b1; //如果符合條件，則輸出高電平

else button_out1_reg<=button_out1_reg;

end

endmodule

3 按鍵彈跳消除模塊的實(shí)際應(yīng)用

利用Memec virtex-4 開(kāi)發(fā)板，通過(guò)開(kāi)發(fā)板上的按鈕輸入8位的01控制代碼，用開(kāi)發(fā)板上的開(kāi)關(guān)輸入狀態(tài)控制位，從而控制板上的1602 C型字符型液晶模塊的顯示模式和內(nèi)容。

LCD控制信號(hào)生成模塊：根據(jù)按鈕輸入，產(chǎn)生控制顯示模塊的8位控制信號(hào)。對(duì)按鈕送入該模塊的1位(0/1)信號(hào)進(jìn)行保存并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使每8次輸入形成一個(gè)8位的信號(hào)。如果輸入不滿8位或需重新輸入，則取消上次結(jié)果;如果確定輸入結(jié)果正確，則將8位信號(hào)保存并輸出。

LCD顯示控制模塊：完成1602 C型字符型液晶模塊的初始化，并根據(jù)控制信號(hào)完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

總系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4：

結(jié)束語(yǔ)

本文進(jìn)行性模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了彈跳消除電路模塊、LCD控制信號(hào)生成模塊和LCD顯示控制模塊組成的系統(tǒng)的具體功能，在Memec實(shí)驗(yàn)板上運(yùn)行效果良好。并且在用FPGA進(jìn)行電路調(diào)試的時(shí)候，可以將該系統(tǒng)嵌入其它電路中，增加需要的測(cè)試點(diǎn)和觀察點(diǎn)，通過(guò)按鈕控制顯示，可以動(dòng)態(tài)的對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試，找出問(wèn)題，使調(diào)試更加直觀，從而提高的FPGA的內(nèi)部信號(hào)的可觀察性，提高驗(yàn)證效率。