基于VHDL語言的按鍵消抖電路設(shè)計及仿真

按鍵開關(guān)是電子設(shè)備實現(xiàn)人機對話的重要器件之一。由于大部分按鍵是機械觸點，在觸點閉合和斷開時都會產(chǎn)生抖動。為避免抖動引起誤動作造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，就要求消除按鍵的抖動，確保按鍵每按一次只做一次響應(yīng)。隨著可編程邏輯器件的綜合性能的不斷提高，它已經(jīng)象單片機一樣。廣泛應(yīng)用在各種數(shù)字邏輯領(lǐng)域。用可編程邏輯器件直接獲取鍵盤信息也得到廣泛的應(yīng)用。這里提出用VHDL語言編程的有限狀態(tài)機的設(shè)計方法來實現(xiàn)按鍵的消抖，經(jīng)仿真分析和下載實現(xiàn)，這種方法設(shè)計的消抖電路能夠很好地實現(xiàn)電路功能，進行快速按鍵時都能保證每按一次做一次的響應(yīng)，且性能穩(wěn)定。

1 按鍵抖動產(chǎn)生原因分析
絕大多數(shù)按鍵都是機械式開關(guān)結(jié)構(gòu)，由于機械式開關(guān)的核心部件為彈性金屬簧片，因而在開關(guān)切換的瞬間會在接觸點出現(xiàn)來回彈跳的現(xiàn)象。雖然只是進行了一次按鍵，結(jié)果在按鍵信號穩(wěn)定的前后出現(xiàn)了多個脈沖，如圖1所示。如果將這樣的信號直接送給微處理器掃描采集的話，將可能把按鍵穩(wěn)定前后出現(xiàn)的脈沖信號當(dāng)作按鍵信號，這就出現(xiàn)人為的一次按鍵但微處理器以為多次按鍵現(xiàn)象。為了確保按鍵識別的準確性，在按鍵信號抖動的情況下不能進入狀態(tài)輸入，為此就必須對按鍵進行消抖處理，消除抖動時不穩(wěn)定、隨機的電壓信號。機械式按鍵的抖動次數(shù)、抖動時間、抖動波形都是隨機的。不同類型的按鍵其最長抖動時間也有差別，抖動時間的長短和按鍵的機械特性有關(guān)，一般為5～10 ms，但是，有些按鍵的抖動時間可達到20 ms，甚至更長。所以，在具體設(shè)計中要具體分析，根據(jù)實際情況來調(diào)整設(shè)計。

2 按鍵消抖電路的設(shè)計
按鍵消抖一般采用硬件和軟件消抖兩種方法。硬件消抖是利用電路濾波的原理實現(xiàn)，軟件消抖是通過按鍵延時來實現(xiàn)。在微機系統(tǒng)中一般都采用軟件延時的消抖方法。在用可編程邏輯器件FPGA／CPLD設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)中，也可以用VHDL語言設(shè)計相應(yīng)的時序和邏輯電路，對按鍵信號進行處理，同樣可以達到消抖目的。本文利用Altera公司的可編程邏輯器件CPLD和QuartusⅡ，設(shè)計性能可靠的按鍵消抖電路。
2．1 按鍵消抖電路設(shè)計原理
按鍵消抖的關(guān)鍵是提取穩(wěn)定的低電平(或高電平)狀態(tài)，濾除按鍵穩(wěn)定前后的抖動脈沖。在用基于VHDL語言的時序邏輯電路設(shè)計按鍵消抖電路時，可以用一個時鐘脈沖信號對按鍵狀態(tài)進行取樣，當(dāng)?shù)谝淮尾蓸拥降碗娖綍r，啟動延時電路，延時結(jié)束后，再對按鍵信號進行連續(xù)三次取樣，如果三次取樣都為低電平，則可以認為按鍵已經(jīng)處在穩(wěn)定狀態(tài)，這時輸出一個低電平的按鍵確認信號，如果連續(xù)三次的取樣中，至少有一次是高電平，則認為按鍵仍處在抖動狀態(tài)，此時不進行按鍵確認，按鍵輸出信號為高電平。