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)計中經(jīng)常用到。按鍵的彈跳現(xiàn)象是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中存在的客觀問題。按鍵是機械觸點，當(dāng)接觸點斷開或閉合時會產(chǎn)生抖動。為使每一次按鍵只做一次響應(yīng)，就必須去除抖動。本文對按鍵的抖動信號進(jìn)行了分析，并通過計數(shù)器的方式完成了消除抖動電路模塊的設(shè)計。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)實驗板上實現(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)備人機交互的主要器件之一。按鍵大多是機械式開關(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。對于靈敏度比較高的電路，這種彈跳現(xiàn)象引起的信號抖動會造成誤動作而影響到系統(tǒng)的正確性。因此，我們需要設(shè)計按鍵彈跳消除電路來去除抖動.。

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。

機械開關(guān)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(guān)的抖動波形、抖動次數(shù)、抖動時間都是隨機的，并不是每次都會產(chǎn)生抖動。

不同開關(guān)的最長抖動時間也不同。抖動時間的長短和機械開關(guān)特性有關(guān)，一般為5ms到10ms。但是，某些開關(guān)的抖動時間長達(dá)20ms，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。

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)果在按鍵信號穩(wěn)定先后竟出現(xiàn)了多個段脈沖，如果將這樣的信號直接送到計數(shù)器之類的時序電路，結(jié)果將可能發(fā)生計數(shù)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(xiàn)

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(shù)器的方式實現(xiàn)消除按鍵抖動的功能。

2.1 計數(shù)器模值的計算

計數(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(rèn)為是輸入信號。

計數(shù)器的模值n根據(jù)抖動信號的脈沖寬度和采樣信號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)，所以按鍵時間大于100ms，按占空比50%計算，按下的時間大于50ms。按這種約定，我們認(rèn)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(jù)實驗板提供的系統(tǒng)時鐘來確定實際需要的模值。實驗板提供的系統(tǒng)時鐘為100mHz，通過分頻后得到25mHz的時鐘，50ms*25mHz得到count的模值為21’h1312D0。采用這個模值得到的消抖時間大約為50ms，符合要求。