基于FPGA的按鍵彈跳消除模塊的研究與應用

1、    基于FPGA的按鍵彈跳消除模塊的研究與應用按鍵在數字電路設計中經常用到。按鍵的彈跳現象是數字系統設計中存在的客觀問題。按鍵是機械觸點，當接觸點斷開或閉合時會產生抖動。為使每一次按鍵只做一次響應，就必須去除抖動。本文對按鍵的抖動信號進行了分析，并通過計數器的方式完成了消除抖動電路模塊的設計。把該模塊應用到按鍵控制LCD顯示的系統中，并在Memec代理的Virtex-4MB系統實驗板上實現了該系統。消抖電路的效果良好，按鍵控制LCD顯示結果正常。按鍵開關是電子設按鍵在數字電路設計中經常用到。按鍵的彈跳現象是數字系統設計中存在的客觀問題。按鍵是機械觸點

2、，當接觸點斷開或閉合時會產生抖動。為使每一次按鍵只做一次響應，就必須去除抖動。本文對按鍵的抖動信號進行了分析，并通過計數器的方式完成了消除抖動電路模塊的設計。把該模塊應用到按鍵控制LCD顯示的系統中，并在Memec代理的Virtex-4 MB系統實驗板上實現了該系統。消抖電路的效果良好，按鍵控制LCD顯示結果正常。按鍵開關是電子設備人機交互的主要器件之一。按鍵大多是機械式開關結構，由于機械式開關的核心部件為彈性金屬簧片，因而在開關切換的瞬間會在接觸點出現來回彈跳的現象。對于靈敏度比較高的電路，這種彈跳現象引起的信號抖動會造成誤動作而影響到系統的正確性。因此，我們需要設計按鍵彈跳消除電路來去除抖

3、動.。1彈跳消除電路的原理和功能按鍵開關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。機械開關的抖動存在三種情況：按下時有抖動，松開時也有抖動；按下時有抖動，松開時無抖動；按下時無抖動，松開時有抖動。機械開關的抖動波形、抖動次數、抖動時間都是隨機的，并不是每次都會產生抖動。不同開關的最長抖動時間也不同。抖動時間的長短和機械開關特性有關，一般為5ms到10ms。但是，某些開關的抖動時間長達20ms，甚至更長。所以，在具體設計中要具體分析，根據實際情況來調整設計。彈跳現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，結果在按鍵信號穩(wěn)定先后竟出現了多個段脈沖，如果將這樣的信號直接

4、送到計數器之類的時序電路，結果將可能發(fā)生計數超過一次以上的誤動作，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現為了使按鍵彈跳消除模塊的更加簡潔，并且移植性好，在此用計數器的方式實現消除按鍵抖動的功能。2.1 計數器模值的計算計數器模值的確定是按鍵彈跳消除效果的關鍵問題，如果值過大，即采樣時間過長，就會漏掉正確的信號；如果值過小，采樣時間過短，則會將毛刺誤認為是輸入信號。計數器的模值n根據抖動信號的脈沖寬度和采樣信號clk的周期大小決定。根據一般人按鍵的速度小于10Hz(每秒小于10次)，所以按鍵時間大于100ms，按占空比50%計算

5、，按下的時間大于50ms。按這種約定，我們認為按下的時間小于50ms的為抖動信號，按下的時間大于50ms的是按鍵信號。即n=50ms/采樣脈沖信號周期，這樣就可以把按下的時間小于50ms的抖動信號濾掉。在此，根據實驗板提供的系統時鐘來確定實際需要的模值。實驗板提供的系統時鐘為100mHz，通過分頻后得到25mHz的時鐘，50ms*25mHz得到count的模值為21h1312D0。采用這個模值得到的消抖時間大約為50ms，符合要求。2.2 程序設計設計一個高脈沖計數器count1和一個低脈沖計數器conut0。引入一個采樣脈沖信號clk,對輸入信號button_in進行采樣，并對clk進行計數

6、。若button_in為高電平，count1做加法計數，直到count1各位全為1，停止計數，歸零，使消抖后的輸出信號button_out輸出1。若button_in為低電平，count0做加法計數，直到count0各位全為1，停止計數歸零，并使消抖后的輸出信號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;reg20:0 count0;reg 20:0 coun

7、t1;reg button_out1_reg;assign button_out=button_out1_reg;/對輸入進行采樣，計數always(posedge clk or negedge reset)beginif(!reset) count1<=21'h000000;else if(button_out1=1'b1) count1<=count1+1;/對高電平計數else count1<=21'h000000;endalways(posedge clk or negedge reset)beginif(!reset) count0<=

8、21'h000000;else if(button_out1=1'b0) count0<=count0+1;/對低電平計數else count0<=21h000000;end/輸出always(posedge clk or negedge resetbeginif(!reset) button_out1_reg<=1'b1;else if(count0=21'h1312D0) /判斷低電平信號是否符合輸出條件button_out1_reg<=1'b0; /如果符合條件，則輸出低電平else if(count1=21'h13

9、12D0) /判斷低電平信號是否符合輸出條件button_out1_reg<=1'b1; /如果符合條件，則輸出高電平else button_out1_reg<=button_out1_reg;endendmodule3 按鍵彈跳消除模塊的實際應用利用Memec virtex-4 開發(fā)板，通過開發(fā)板上的按鈕輸入8位的01控制代碼，用開發(fā)板上的開關輸入狀態(tài)控制位，從而控制板上的1602C型字符型液晶模塊的顯示模式和內容。LCD控制信號生成模塊：根據按鈕輸入，產生控制顯示模塊的8位控制信號。對按鈕送入該模塊的1位（0/1）信號進行保存并進行轉換，使每8次輸入形成一個8位的信號。如果輸入不滿8位或需重新輸入，則取消上次結果；如果確定輸入結果正確，則將8位信號保存并輸出。LCD顯示控制模塊：完成1602 C型字符型液晶模塊的初始化，并根據控制信號完成狀態(tài)轉換?？傁到y設計如圖4：結束語本文進行性模塊化設計，實現了彈跳消除電路模塊、LCD控制信號生成模塊和LCD顯示控制模塊組成的系統的具體功能，在Memec實驗板上運行效果良好。并且在用FPGA進行電路調試的時候，可以將該系統嵌入其它電路中，增加需要的測試點和觀察點，通過按鈕控制顯示，可以動態(tài)的對電路進行測試，找出問題，使調試更加直觀，從而提高的FPGA