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(jīng)常用到。按鍵的彈跳現象是數字系統設計中存在的客觀(guān)問(wèn)題。按鍵是機械觸點(diǎn)，當接觸點(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，就必須去除抖動(dòng)。本文對按鍵的抖動(dòng)信號進(jìn)行了分析，并通過(guò)計數器的方式完成了消除抖動(dòng)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(shí)驗板上實(shí)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)結構，由于機械式開(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)出現來(lái)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(dòng)會(huì )造成誤動(dòng)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(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(xiàn)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(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)。機械開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)波形、抖動(dòng)次數、抖動(dòng)時(shí)間都是隨機的，并不是每次都會(huì )產(chǎn)生抖動(dòng)。

不同開(kāi)關(guān)的最長(cháng)抖動(dòng)時(shí)間也不同。抖動(dòng)時(shí)間的長(cháng)短和機械開(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(cháng)達20ms，甚至更長(cháng)。所以，在具體設計中要具體分析，根據實(shí)際情況來(lái)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，結果在按鍵信號穩定先后竟出現了多個(gè)段脈沖，如果將這樣的信號直接送到計數器之類(lèi)的時(shí)序電路，結果將可能發(fā)生計數超過(guò)一次以上的誤動(dòng)作，從而誤以為鍵盤(pán)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

為了使按鍵彈跳消除模塊的更加簡(jiǎn)潔，并且移植性好，在此用計數器的方式實(shí)現消除按鍵抖動(dòng)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(guān)鍵問(wèn)題，如果值過(guò)大，即采樣時(shí)間過(guò)長(cháng)，就會(huì )漏掉正確的信號;如果值過(guò)小，采樣時(shí)間過(guò)短，則會(huì )將毛刺誤認為是輸入信號。

計數器的模值n根據抖動(dòng)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(shí)間大于100ms，按占空比50%計算，按下的時(shí)間大于50ms。按這種約定，我們認為按下的時(shí)間小于50ms的為抖動(dòng)信號，按下的時(shí)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(shí)間小于50ms的抖動(dòng)信號濾掉。

在此，根據實(shí)驗板提供的系統時(shí)鐘來(lái)確定實(shí)際需要的模值。實(shí)驗板提供的系統時(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。