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)中存在的客觀問題。按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)接觸點(diǎn)斷開或閉合時(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)械式開關(guān)結(jié)構(gòu)，由于機(jī)械式開關(guān)的核心部件為彈性金屬簧片，因而在開關(guān)切換的瞬間會(huì)在接觸點(diǎn)出現(xiàn)來回彈跳的現(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去除抖動(dòng).。

1.彈跳消除電路的原理和功能

按鍵開關(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)械開關(guān)的抖動(dòng)存在三種情況：按下時(shí)有抖動(dòng)，松開時(shí)也有抖動(dòng);按下時(shí)有抖動(dòng)，松開時(shí)無(wú)抖動(dòng);按下時(shí)無(wú)抖動(dòng)，松開時(shí)有抖動(dòng)。機(jī)械開關(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)械開關(guān)特性有關(guān)，一般為5ms到10ms。但是，某些開關(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)鍵問題，如果值過大，即采樣時(shí)間過長(zhǎng)，就會(huì)漏掉正確的信號(hào);如果值過小，采樣時(shí)間過短，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。