STM單片機中的按鍵消抖和FPGA消抖

寫在前面：

按鍵去抖：理想波形與實際波形之間是有區(qū)別的，實際波形在按下和釋放的瞬間都有抖動的現(xiàn)象，抖動時間的長短和按鍵的機械特性有關，一般為 5~10ms。通常我們手動按鍵然后釋放，這個動作中穩(wěn)定閉合的時間超過了 20ms。因此單片機在檢測鍵盤是否按下時都要加上去抖動操作，有專用的去抖動電路，也有專門的去抖動芯片，但通常我們采用軟件延時的方法就可以解決抖動問題。

1、單片機中按鍵消抖程序

1.1 單片機中，比如 STM32 中，一般的方法（最簡單的方法）

軟件消抖程序：

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_14)==1)
{
delay_ms(20);// 延時 20ms 再去檢測按鍵值
if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_14)==0) // 相當于下降沿
{
KEY1 = 1; // 表示 KEY1 被按下
}
}

1.2 比較全面的按鍵消抖程序及按鍵狀態(tài)檢測程序

第一步：初始化全局時間戳的定時器，一般采用 SysTick 定時器來產(chǎn)生，每 ms 一次 tick 即可。

第二步：初始化按鍵對應的 IO，復用為邊沿觸發(fā)的外部中斷。

第三步：在外部中斷函數(shù)中添加按鍵事件處理函數(shù)。

代碼部分：
typedef struct _Key_t
{
u32 last_time;
enum
{
May_Press,
Release,
}private_state;
enum
{
No_Press,
Short_Press,
Long_Press,
}state;
}Key_t;

#define Is_ShortPress_Threshold 1500

簡單定義一個按鍵狀態(tài)的結構體，用于管理每個按鍵的狀態(tài)。順便再定義一個長短按的識別閾值，用于區(qū)分按鍵的長短按。

if(key_state.private_state==Release)
{
if(KEY==0)
{
key_state.private_state=May_Press;
key_state.last_time=course_ms();
}
}
else if(key_state.private_state==May_Press)
{
if(KEY==1)
{
if((course_ms()-key_state.last_time>10)&&(course_ms()-key_state.last_time
{
key_state.state=Short_Press;
key_state.private_state=Release;
}
else if(course_ms()-key_state.last_time>Is_ShortPress_Threshold)
{
key_state.state=Long_Press;
key_state.private_state=Release;
}
else
key_state.private_state=Release;
}
}

以上為需要添加到中斷處理函數(shù)的按鍵事件處理函數(shù)，算法的核心是一個狀態(tài)機。在本例中，按鍵被默認上拉，按下接地。course_ms()為獲取全局時間戳的函數(shù)。

思路解釋如下：按鍵狀態(tài)結構體有一個用于識別的狀態(tài)位，默認處于 Release，也就是釋放的狀態(tài)。一旦按鍵被按下，中斷觸發(fā)，此時檢查是否是 Relase 狀態(tài)，如果是就檢查按鍵是否被拉低，如果是，此時進入 May_Press 狀態(tài)，也就是可能是按下的，并且記錄此時的時間戳，這一步是消抖的關鍵。當按鍵被釋放，由于是邊沿觸發(fā)，會再次進行處理，此時檢查和上一次觸發(fā)之間的時間戳之差，如果小于 10ms 我們就認為是抖動，此時不會對按鍵輸出狀態(tài)進行修改，而是直接將按鍵狀態(tài)置回 Relase 狀態(tài)，反之檢查差值和長短按閾值之間的關系，將 state 置位為對應的狀態(tài)。消抖的核心在于記錄時間戳，而這只是一個簡單的賦值操作，并不耗費時間。

效率上來說，延時消抖花費時間在無意義延時上，而相對較好的定時輪詢還是不可避免的在輪詢，而現(xiàn)在這種方式完全是中斷性質的。唯一多出的開銷（全局時間戳）并不是只可以用于按鍵消抖，另外在 HAL 庫中存在直接獲取 tick 的函數(shù)，這樣實現(xiàn)就更方便了。經(jīng)實際測試，消抖效果可以達到其他兩種消抖算法的水平。

2、FPGA 按鍵消抖程序

首先，做兩個假定，以方便后面的描述：

假定按鍵的默認狀態(tài)為 0，被按下后為 1
假定按鍵抖動時長小于 20ms，也即使用 20ms 的消抖時間

核心：方案

最容易想到的方案

在按鍵電平穩(wěn)定的情況下，當?shù)谝淮螜z測到鍵位電平變化，開始 20ms 計時，計時時間到后將按鍵電平更新為當前電平。

或許這才是最容易想的方案

在 20ms 計時的過程中，有任何的電平變化都立即復位計時

消除按鍵反應延時抖方案

在有電平變化時立即改變按鍵輸出電平，并開始 20ms 計時，忽略這其中抖動
測試平臺設計（修改代碼以仿真的 1us 代替實際 1ms）

無抖動 上升沿抖動 5 毫秒
下降沿抖動 15 毫秒
上升和下降沿均抖動 19 毫秒
附加測試（可以不通過）
抖動 25 毫秒

代碼

方案 1

module debounce( input wire clk, nrst, input wire key_in, output reg key_out
); // 20ms parameter// localparam TIME_20MS = 1_000_000;
localparam TIME_20MS = 1_000; // just for test // variable
reg [20:0] cnt; reg key_cnt;
// debounce time passed, refresh key state
always @(posedge clk or negedge nrst) begin
if(nrst == 0)
key_out <= 0; ? ? ? ?else if(cnt == TIME_20MS - 1)
key_out <= key_in; ? ?end

// while in debounce state, count, otherwise 0
always @(posedge clk or negedge nrst) begin
if(nrst == 0)
cnt <= 0; ? ? ? ?else if(key_cnt)
cnt <= cnt + 1'b1;
else
cnt <= 0;?
end

//
always @(posedge clk or negedge nrst) begin
if(nrst == 0)
key_cnt <= 0; ? ? ? ? ? ?else if(key_cnt == 0 && key_in != key_out)
key_cnt <= 1; ? ? ? ? ? ?else if(cnt == TIME_20MS - 1)
key_cnt <= 0; ? ? endendmodule

方案 2

module debounce( input wire clk, nrst, input wire key_in, output reg key_out
);// localparam TIME_20MS = 1_000_000;
localparam TIME_20MS = 1_000; reg key_cnt; reg [20:0] cnt; always @(posedge clk or negedge nrst) begin
if(nrst == 0)
key_cnt <= 0; ? ? ? ?else if(cnt == TIME_20MS - 1)
key_cnt <= 0; ? ? ? ?else if(key_cnt == 0 && key_out != key_in)
key_cnt <= 1; ? ?end

always @(posedge clk or negedge nrst) begin
if(nrst == 0)
cnt <= 0; ? ? ? ?else if(key_cnt) begin
if(key_out == key_in)
cnt <= 0; ? ? ? ? ? ?else
cnt <= cnt + 1'b1;
end
else
cnt <= 0; ? ?end

always @(posedge clk or negedge nrst) begin
if(nrst == 0)
key_out <= 0; ? ? ? ? ? ?else if(cnt == TIME_20MS - 1)
key_out <= key_in; ? ? endendmodule

方案 3

module debounce( input wire clk, nrst, input wire key_in, output reg key_out
);// localparam TIME_20MS = 1_000_000;
localparam TIME_20MS = 1_000; // just for test

reg key_cnt; reg [20:0] cnt; always @(posedge clk or negedge nrst) begin
if(nrst == 0)
key_cnt <= 0; ? ? ? ?else if(key_cnt == 0 && key_out != key_in)
key_cnt <= 1; ? ? ? ?else if(cnt == TIME_20MS - 1)
key_cnt <= 0; ? ?end

always @(posedge clk or negedge nrst) begin
if(nrst == 0)
cnt <= 0; ? ? ? ?else if(key_cnt)
cnt <= cnt + 1'b1;
else
cnt <= 0; ? ?end

always @(posedge clk or negedge nrst) begin
if(nrst == 0)
key_out <= 0; ? ? ? ?else if(key_cnt == 0 && key_out != key_in)
key_out <= key_in; ? ?endendmodule
測試代碼
// 按鍵消抖測試電路 // 時間單位`timescale 1ns/10ps// modulemodule debounce_tb; // time period parameter
localparam T = 20; // variable
reg clk, nrst; reg key_in; wire key_out; // instantiate debounce uut(
.clk (clk ),
.nrst (nrst ),
.key_in (key_in ),
.key_out(key_out)
); // clock
initial begin
clk = 1; forever #(T/2) clk = ~clk; end

// reset
initial begin
nrst = 1;
@(negedge clk) nrst = 0;
@(negedge clk) nrst = 1; end

// key_in
initial begin
// initial value
key_in = 0;
// wait reset
repeat(3) @(negedge clk);
// no bounce // key down
key_in = 1; // last 60ms
repeat(3000) @(negedge clk); // key up
key_in = 0; // wait 50ms
repeat(2500) @(negedge clk); // down 5ms, up 15ms // key down, bounce 5ms
repeat(251) @(negedge clk) key_in = ~key_in; // last 60ms
repeat(3000) @(negedge clk); // key up, bounce 15ms
repeat(751) @(negedge clk) key_in = ~key_in; // wait 50ms
repeat(2500) @(negedge clk); // down 19ms, up 19ms // key down, bounce 19ms
repeat(951) @(negedge clk) key_in = ~key_in; // last 60ms
repeat(3000) @(negedge clk); // key up, bounce 19ms
repeat(951) @(negedge clk) key_in = ~key_in; // wait 50ms
repeat(2500) @(negedge clk);
// additional, this situation shoud not ever happen // down 25ms, up 25ms // key down, bounce 25ms
repeat(1251) @(negedge clk) key_in = ~key_in; // last 60ms
repeat(3000) @(negedge clk); // key up, bounce 25ms
repeat(1251) @(negedge clk) key_in = ~key_in; // wait 50ms
repeat(2500) @(negedge clk); // stop $stop; endendmodule

放在最后的，并不一定是最不重要的

對于上面的三種方案，我比較喜歡第三種方案，它更貼合實際的按鍵狀態(tài)，以上的代碼我都做過 modelsim 仿真，但還沒有在實際的項目中驗證。在整理準備這個博客的時候，我又想到了一個感覺是更巧妙的方案，具體是這樣的：在第三個方案的基礎上，因為按鍵輸入有變化的第一時刻，輸出就已經(jīng)改變了，在這種情況下，我可以把計時的時長改為一個很小的值，該值只要比抖動中的最長高低電平變化時間長即可。但想想也沒這個必要，且這個抖動的高低電平變化時長我也很難去給它界定一個值。

審核編輯黃昊宇