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技术分享：明德扬按键消抖的原理和基于fpga的消抖设计

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2017-8-2 10:38:43 3659

本帖最后由明德扬吴老师于 2017-8-2 11:45 编辑

按键消抖

1功能概述

按键开关是各种电子设备不可或缺的人机接口，如电脑的键盘等。实际应用中，按键开关通常为机械式弹性开关。当机械点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定接通，断开时也不会马上断开，在闭合和断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。为保证系统及时正确识别，必须对这种情况作出相应处理。我们称之为按键消抖。

按键消抖可分为硬件消抖和软件消抖。硬件消抖的原理是在信号输入系统之前消除抖动干扰，在按键较少的情况下比较适宜。如果按键较多，则使用软件消抖。软件消抖的实质在于降低键盘输入端口的采样频率，将高频抖动略去。需要注意的是，软件消抖需要占据一定的系统资源。

尽管硬件消抖和软件消抖能实现按键消抖功能，串行处理的方式都存在一定的局限性，显得不那么完美。而硬件资源丰富的FPGA系统采用并行处理的模式，利用硬件来减轻软件工作量，通过硬件加速软件消抖处理，即可做到软件消抖并行化，因而在按键消抖处理方面具备非常明显的优势。

优秀的设计程序应该是用最简单的代码（架构、信号）实现功能。在本例中，我们的只需要用4个信号界定，并用很短的代码即可。下面我们先来看看功能要求：

在系统设计中，消除按键抖动的方法五花八门，无论是硬件电路和软件设计都十分成熟。在本项目中，我们将用Verilog语言给出具体实现过程，设计一个程序来检查键值，有效滤除按键抖动区间20 ms的毛刺脉冲。

2 设计思路

一般按键所用开关为机械弹性开关，由于机械触点的弹性作用，每个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，如下图。抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5 ms～10 ms。

图1 按键抖动过程示意

当系统检测出按键闭合后，执行一个延时程序，产生5ms～10ms的延时；前沿抖动消失后，再一次检测键的状态；如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下。当检测到按键释放后，也要给5ms～10ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。本案例我们设置经过20 ms后的高电平才是真正的按键功能。

信号列表如下：

信号名	I/O	位宽	说明
clk	I	1	系统工作时钟50MHz。
rst_n	I	1	系统复位信号，低电平有效。
key_in	I	4	按键输入信号，按下高电平。
key_vld	O	4	按键有效信号，高电平有效。

3 程序设计

模块代码

module key_module(

clk ,

rst_n ,

key_in ,

key_vld

);

parameter DATA_W = 20 ;

parameter KEY_W = 4 ;

parameter tiME_20MS = 1_000_000 ;

input clk ;

input rst_n ;

input [KEY_W-1 :0] key_in ;

output [KEY_W-1 :0] key_vld ;

reg [KEY_W-1 :0] key_vld ;

reg [DATA_W-1:0] cnt ;

wire add_cnt ;

wire end_cnt ;

reg flag ;

reg [KEY_W-1 :0] key_in_ff1 ;

reg [KEY_W-1 :0] key_in_ff0 ;

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

cnt <= 20'b0;

end

else if(add_cnt)begin

if(end_cnt)

cnt <= 20'b0;

else

cnt <= cnt + 1'b1;

end

else begin

cnt <= 0;

end

assign add_cnt = flag==1'b0 && (key_in_ff1!=0);

assign end_cnt = add_cnt && cnt == TIME_20MS - 1;

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

flag <= 1'b0;

end

else if(end_cnt)begin

flag <= 1'b1;

end

else if(key_in_ff1==0)begin

flag <= 1'b0;

end

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

key_in_ff0 <= 0;

key_in_ff1 <= 0;

end

else begin

key_in_ff0 <= key_in ;

key_in_ff1 <= key_in_ff0;

end

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

key_vld <= 0;

end

else if(end_cnt)begin

key_vld <= key_in_ff1;

end

else begin

key_vld <= 0;

end

endmodule

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