原创 【转】FPGA的按键弹跳消除模块的研究与应用

 按键在数字电路设计中经常用到。按键的弹跳现象是数字系统设计中存在的客观问题。按键是机械触点，当接触点断开或闭合时会产生抖动。为使每一次按键只做一次响应，就必须去除抖动。本文对按键的抖动信号进行了分析，并通过计数器的方式完成了消除抖动电路模块的设计。把该模块应用到按键控制LCD显示的系统中，并在Memec代理的Virtex-4 MB系统实验板上实现了该系统。消抖电路的效果良好，按键控制LCD显示结果正常。
    按键开关是电子设备人机交互的主要器件之一。按键大多是机械式开关结构，由于机械式开关的核心部件为弹性金属簧片，因而在开关切换的瞬间会在接触点出现来回弹跳的现象。对于灵敏度比较高的电路，这种弹跳现象引起的信号抖动会造成误动作而影响到系统的正确性。因此，我们需要设计按键弹跳消除电路来去除抖动.。

1．弹跳消除电路的原理和功能
    按键开关的典型连线分为低电平有效和高电平有效，本文的是低电平有效。
    机械开关的抖动存在三种情况：按下时有抖动，松开时也有抖动；按下时有抖动，松开时无抖动；按下时无抖动，松开时有抖动。机械开关的抖动波形、抖动次数、抖动时间都是随机的，并不是每次都会产生抖动。不同开关的最长抖动时间也不同。抖动时间的长短和机械开关特性有关，一般为5ms到10ms。但是，某些开关的抖动时间长达20ms，甚至更长。所以，在具体设计中要具体分析，根据实际情况来调整设计。
    弹跳现象以及弹跳消除如图1 所示，虽然只是按下按键一次后放掉，结果在按键信号稳定先后竟出现了多个段脉冲，如果将这样的信号直接送到计数器之类的时序电路，结果将可能发生计数超过一次以上的误动作，从而误以为键盘按了多次。因此，必须加上弹跳消除电路，除去短脉冲，避免误操作的发生。 
 

2．按键弹跳消除模块的实现
    为了使按键弹跳消除模块的更加简洁，并且移植性好，在此用计数器的方式实现消除按键抖动的功能。

2.1 计数器模值的计算
    计数器模值的确定是按键弹跳消除效果的关键问题，如果值过大，即采样时间过长，就会漏掉正确的信号；如果值过小，采样时间过短，则会将毛刺误认为是输入信号。
    计数器的模值n根据抖动信号的脉冲宽度和采样信号clk的周期大小决定。根据一般人按键的速度小于10Hz(每秒小于10次)，所以按键时间大于100ms，按占空比50%计算，按下的时间大于50ms。按这种约定，我们认为按下的时间小于50ms的为抖动信号，按下的时间大于50ms的是按键信号。即n=50ms/采样脉冲信号周期，这样就可以把按下的时间小于50ms的抖动信号滤掉。
    在此，根据实验板提供的系统时钟来确定实际需要的模值。实验板提供的系统时钟为100mHz，通过分频后得到25mHz的时钟，50ms*25mHz得到count的模值为21’h1312D0。采用这个模值得到的消抖时间大约为50ms，符合要求。

2.2 程序设计
    设计一个高脉冲计数器count1和一个低脉冲计数器conut0。引入一个采样脉冲信号clk,对输入信号button_in进行采样，并对clk进行计数。若button_in为高电平，count1做加法计数，直到count1各位全为1，停止计数，归零，使消抖后的输出信号button_out输出1。若button_in为低电平，count0做加法计数，直到count0各位全为1，停止计数归零，并使消抖后的输出信号button_out输出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;
reg [20:0] count0;
reg [20:0] count1;
reg button_out1_reg;
……
assign button_out=button_out1_reg;
//对输入进行采样，计数
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(!reset) count1<=21'h000000;
else if(button_out1==1'b1) count1<=count1+1;//对高电平计数
else count1<=21'h000000;
end
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(!reset) count0<=21'h000000;
else if(button_out1==1'b0) count0<=count0+1;//对低电平计数
else count0<=21’h000000;
end
//输出
always@(posedge clk or negedge reset
begin
if(!reset) button_out1_reg<=1'b1;
else if(count0==21'h1312D0) //判断低电平信号是否符合输出条件
button_out1_reg<=1'b0; //如果符合条件，则输出低电平
else if(count1==21'h1312D0) //判断低电平信号是否符合输出条件
button_out1_reg<=1'b1; //如果符合条件，则输出高电平
else button_out1_reg<=button_out1_reg;
end
endmodule 
 

3 按键弹跳消除模块的实际应用
    利用Memec virtex-4 开发板，通过开发板上的按钮输入8位的01控制代码，用开发板上的开关输入状态控制位，从而控制板上的1602 C型字符型液晶模块的显示模式和内容。
    LCD控制信号生成模块：根据按钮输入，产生控制显示模块的8位控制信号。对按钮送入该模块的1位（0/1）信号进行保存并进行转换，使每8次输入形成一个8位的信号。如果输入不满8位或需重新输入，则取消上次结果；如果确定输入结果正确，则将8位信号保存并输出。
    LCD显示控制模块：完成1602 C型字符型液晶模块的初始化，并根据控制信号完成状态转换。
  
    总系统设计如图4： 
 

结束语
    本文进行模块化设计，实现了弹跳消除电路模块、LCD控制信号生成模块和LCD显示控制模块组成的系统的具体功能，在Memec实验板上运行效果良好。并且在用FPGA进行电路调试的时候，可以将该系统嵌入其它电路中，增加需要的测试点和观察点，通过按钮控制显示，可以动态的对电路进行测试，找出问题，使调试更加直观，从而提高的FPGA的内部信号的可观察性，提高验证效率。