基于VHDL語(yǔ)言的按鍵消抖電路設(shè)計(jì)及仿真

　按鍵開關(guān)是電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的重要器件之一。由于大部分按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)，在觸點(diǎn)閉合和斷開時(shí)都會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。為避免抖動(dòng)引起誤動(dòng)作造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，就要求消除按鍵的抖動(dòng)，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(jī)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(yǔ)言編程的有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵的消抖，經(jīng)仿真分析和下載實(shí)現(xiàn)，這種方法設(shè)計(jì)的消抖電路能夠很好地實(shí)現(xiàn)電路功能，進(jìn)行快速按鍵時(shí)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(dòng)產(chǎn)生原因分析

　　絕大多數(shù)按鍵都是機(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(lái)回彈跳的現(xiàn)象。雖然只是進(jìn)行了一次按鍵，結(jié)果在按鍵信號(hào)穩(wěn)定的前后出現(xiàn)了多個(gè)脈沖，如圖1所示。如果將這樣的信號(hào)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(hào)當(dāng)作按鍵信號(hào)，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(shí)別的準(zhǔn)確性，在按鍵信號(hào)抖動(dòng)的情況下不能進(jìn)入狀態(tài)輸入，為此就必須對(duì)按鍵進(jìn)行消抖處理，消除抖動(dòng)時(shí)不穩(wěn)定、隨機(jī)的電壓信號(hào)。機(jī)械式按鍵的抖動(dòng)次數(shù)、抖動(dòng)時(shí)間、抖動(dòng)波形都是隨機(jī)的。不同類型的按鍵其最長(zhǎng)抖動(dòng)時(shí)間也有差別，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短和按鍵的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5～10 ms，但是，有些按鍵的抖動(dòng)時(shí)間可達(dá)到20 ms，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(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)。

　　2 按鍵消抖電路的設(shè)計(jì)

　　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(shí)現(xiàn)，軟件消抖是通過(guò)按鍵延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在微機(jī)系統(tǒng)中一般都采用軟件延時(shí)的消抖方法。在用可編程邏輯器件FPGA／CPLD設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)中，也可以用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)相應(yīng)的時(shí)序和邏輯電路，對(duì)按鍵信號(hào)進(jìn)行處理，同樣可以達(dá)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(jì)性能可靠的按鍵消抖電路。

　　2．1 按鍵消抖電路設(shè)計(jì)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(dòng)脈沖。在用基于VHDL語(yǔ)言的時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)按鍵消抖電路時(shí)，可以用一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)對(duì)按鍵狀態(tài)進(jìn)行取樣，當(dāng)?shù)谝淮尾蓸拥降碗娖綍r(shí)，啟動(dòng)延時(shí)電路，延時(shí)結(jié)束后，再對(duì)按鍵信號(hào)進(jìn)行連續(xù)三次取樣，如果三次取樣都為低電平，則可以認(rèn)為按鍵已經(jīng)處在穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)輸出一個(gè)低電平的按鍵確認(rèn)信號(hào)，如果連續(xù)三次的取樣中，至少有一次是高電平，則認(rèn)為按鍵仍處在抖動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)不進(jìn)行按鍵確認(rèn)，按鍵輸出信號(hào)為高電平。

　　2．2 按鍵消抖電路設(shè)計(jì)

　　該控制電路采用VHDL語(yǔ)言的有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法來(lái)描述和實(shí)現(xiàn)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

　　電路的復(fù)位信號(hào)Reset有效時(shí)，電路進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)S0，在S0狀態(tài)下時(shí)鐘信號(hào)CLK以一定的頻率采樣按鍵輸入信號(hào)Key_in，如果采樣到 Key_in=‘1’則停留在S0狀態(tài)，并繼續(xù)采樣按鍵輸入信號(hào)的狀態(tài)，一旦采樣到輸入信號(hào)是低電平，即Key_in=‘0’，則轉(zhuǎn)入S1延時(shí)狀態(tài)，進(jìn)行消抖延時(shí)，當(dāng)延時(shí)結(jié)束時(shí)Delay_end=‘1’，則轉(zhuǎn)入在S2狀態(tài)，在此狀態(tài)下時(shí)鐘信號(hào)CLK以一定頻率采樣按鍵輸入Key_in的狀態(tài)，如果采樣到 Key_in為高電平即Key_in=‘1’則轉(zhuǎn)回狀態(tài)S0，表示按鍵仍處在抖動(dòng)狀態(tài)，如果采樣到Key_in=‘O’，則轉(zhuǎn)入狀態(tài)S3；狀態(tài)S3，S4 的轉(zhuǎn)換過(guò)程和條件跟S2相同，在S4狀態(tài)下，如果Key_in=‘0’則轉(zhuǎn)入S5狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)狀態(tài)S5時(shí)．表示經(jīng)過(guò)S2，S3，S4三個(gè)連續(xù)狀態(tài)檢測(cè)按鍵輸入Key_in的狀態(tài)都為‘0’，則認(rèn)為按鍵處在穩(wěn)定狀態(tài)，并在S5輸出按鍵確認(rèn)信號(hào)Key_confirm=‘1’。同時(shí)在狀態(tài)S5下時(shí)鐘信號(hào)CLK 檢測(cè)按鍵輸入狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到按鍵輸入Key_in=‘0’，表示按鍵仍未釋放，則停留在S5繼續(xù)檢測(cè)按鍵輸入信號(hào)狀態(tài)，如果檢測(cè)到Key_in=‘1’，表示按鍵已經(jīng)釋放，則轉(zhuǎn)回狀態(tài)S0，等待下一次按鍵操作。

　3 按鍵消抖電路的仿真分析

　　消抖電路的仿真圖如圖3所示。當(dāng)復(fù)位信號(hào)Reset=‘0’時(shí)，狀態(tài)機(jī)Key處在S0狀態(tài)，同時(shí)以CLK的時(shí)鐘頻率采樣按鍵輸入信號(hào)Din的狀態(tài)，當(dāng) CLK第一次采樣到Din為低電平時(shí)，此時(shí)可能發(fā)生了按鍵操作，隨即狀態(tài)機(jī)Key進(jìn)入S1消抖延時(shí)狀態(tài)，當(dāng)延時(shí)結(jié)束時(shí)delay_end=‘1’(延時(shí)結(jié)束信號(hào))，跟接著狀態(tài)機(jī)KEY的S2，S3，S4連續(xù)三個(gè)狀態(tài)對(duì)按鍵輸入信號(hào)Din進(jìn)行采樣，當(dāng)三個(gè)狀態(tài)下采樣到Din信號(hào)都是低電平，則轉(zhuǎn)入S5狀態(tài)，并產(chǎn)生按鍵確認(rèn)信號(hào)Key_confirm=‘1’，同時(shí)在S5狀態(tài)下等待按鍵釋放，在此狀態(tài)下當(dāng)CLK時(shí)鐘信號(hào)檢測(cè)到Din為高電平時(shí)轉(zhuǎn)回狀態(tài)S0。因按鍵釋放瞬間也會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，所以由波形圖可以看出，當(dāng)按鍵釋放瞬間由狀態(tài)S5轉(zhuǎn)回狀態(tài)S0，在S0狀態(tài)下，因按鍵抖動(dòng)CLK時(shí)鐘又檢測(cè)到Din為低電平，隨即轉(zhuǎn)入S1進(jìn)行消抖延時(shí)，經(jīng)過(guò)S1的消抖延時(shí)后，按鍵已經(jīng)穩(wěn)定，Din為穩(wěn)定的高電平，所以在狀態(tài)S2檢測(cè)到Din為高電平，則轉(zhuǎn)入S0狀態(tài)，到此時(shí)完成一次按鍵的操作，等待下一次按鍵操作，如果沒(méi)有按鍵操作，即按鍵沒(méi)按下，則一直保持在狀態(tài)S0。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　采用有限狀態(tài)機(jī)方法設(shè)計(jì)按鍵消抖電路，再根據(jù)按鍵的特性設(shè)定合適的延時(shí)時(shí)間(一般10 ms)后，通過(guò)仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠起到很好的消抖效果，而且性能穩(wěn)定，能確保每一次按鍵操作，產(chǎn)生一次按鍵確認(rèn)，可廣泛應(yīng)用于可編程邏輯器件的鍵盤掃描設(shè)計(jì)中。