摘要：按鍵被廣泛用于基于FPGA的數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，機(jī)械式按鍵開(kāi)關(guān)在按鍵操作時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象,，如果不進(jìn)行消除將會(huì)造成電路系統(tǒng)的誤操作?；诖私榻B了基于VHDL語(yǔ)言的計(jì)數(shù)器型消抖電路,、D觸發(fā)器型消抖電路、狀態(tài)機(jī)型消抖電路的工作原理,、相關(guān)程序,、波形仿真及結(jié)果分析，并下栽到EP2C35F672C8芯片上進(jìn)行驗(yàn)證,，消抖效果良好,，性能穩(wěn)定，可廣泛用于FPGA的按鍵電路中,。
關(guān)鍵詞：VHDL,；消抖；FPGA
0 引言
按鍵開(kāi)關(guān)是許多電子產(chǎn)品不可缺少的輸入設(shè)備,，在智能化電子產(chǎn)品中,，按鍵開(kāi)關(guān)作為人機(jī)交互的主要器件之一，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話,，完成各種功能操作,，而機(jī)械式按鍵開(kāi)關(guān)由于其低成本、高可靠性被廣泛使用,。在按鍵操作時(shí),，機(jī)械觸點(diǎn)的彈性及電壓突跳等原因，在觸點(diǎn)閉合或開(kāi)啟的瞬間會(huì)出現(xiàn)電壓抖動(dòng),，實(shí)際應(yīng)用中如果不進(jìn)行處理將會(huì)造成誤觸發(fā),。常見(jiàn)的硬件消抖方法有：利用電容的充放電原理；利用RS觸發(fā)的保持功能,；由同相器組成的積分去抖電路,；用反相器組成的翻轉(zhuǎn)式去抖電路；不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)等等,。本文采用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了幾種按鍵開(kāi)關(guān)的消抖電路,。
1 計(jì)數(shù)器型消抖電路
1．1 計(jì)數(shù)器型消抖電路(一)
計(jì)數(shù)器型消抖電路(一)是設(shè)置一個(gè)模值為(N+1)的控制計(jì)數(shù)器，clk在上升沿時(shí),，如果按鍵開(kāi)關(guān)key_in='1',，計(jì)數(shù)器加1，key_in='0' 時(shí),，計(jì)數(shù)器清零,。當(dāng)計(jì)數(shù)器值為2時(shí)，key_out輸出才為1，其他值為0時(shí),。計(jì)數(shù)器值為N時(shí)處于保持狀態(tài),。因此按鍵key_in持續(xù)時(shí)間大于N個(gè)clk時(shí)鐘周期時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出一個(gè)單脈沖,，否則沒(méi)有脈沖輸出,。如果按鍵開(kāi)關(guān)抖動(dòng)產(chǎn)生的毛刺寬度小于N個(gè)時(shí)鐘周期，因而毛刺作用不可能使計(jì)數(shù)器有輸出,，防抖動(dòng)目的得以實(shí)現(xiàn),。clk的時(shí)鐘周期與N的值可以根據(jù)按鍵抖動(dòng)時(shí)間由設(shè)計(jì)者自行設(shè)定。
主要程序結(jié)構(gòu)如下：
圖1是N為3的波形仿真圖,，當(dāng)按鍵持續(xù)時(shí)間大于3個(gè)時(shí)鐘周期,，計(jì)數(shù)器輸出一個(gè)單脈沖，其寬度為1個(gè)時(shí)鐘周期,，小于3個(gè)時(shí)鐘周期的窄脈沖用作模擬抖動(dòng)干擾,，從圖1可以看出，抖動(dòng)不能干擾正常的單脈沖輸出,。
該方案的特點(diǎn)是能很好消除按鍵抖動(dòng)產(chǎn)生的窄脈沖,，還可以濾去干擾、噪音等其他尖峰波,，但遇到脈寬大于N個(gè)Tclk時(shí)鐘周期的干擾,、噪音等時(shí)會(huì)有輸出從而產(chǎn)生誤操作，而對(duì)于按鍵操作要求按鍵時(shí)間必須大于N個(gè)Tclk時(shí)鐘周期,，否則按鍵操作也沒(méi)有輸出,。
1．2 計(jì)數(shù)器型消抖電路(二)
計(jì)數(shù)器型消抖電路(二)是控制計(jì)數(shù)器工作一個(gè)循環(huán)周期(N+1個(gè)狀態(tài))，且僅在計(jì)數(shù)器為0時(shí)輸出為“1”,。電路設(shè)計(jì)了連鎖控制設(shè)施,。在計(jì)數(shù)器處于狀態(tài)0時(shí)，此時(shí)若有按鍵操作,，則計(jì)數(shù)器進(jìn)入狀態(tài)1,，同時(shí)輸出單脈沖(其寬度等于時(shí)鐘周期),。計(jì)數(shù)器處于其他狀態(tài),，都沒(méi)有單脈沖輸出。計(jì)數(shù)器處于狀態(tài)N時(shí),，控制en='0',，導(dǎo)致計(jì)數(shù)器退出狀態(tài)N，進(jìn)入狀態(tài)0,。計(jì)數(shù)器能否保持狀態(tài)0,，取決于人工按鍵操作，若按鍵key_ in='1'，控制en='1'(計(jì)數(shù)器能正常工作),，key_in='0',，計(jì)數(shù)器狀態(tài)保持。顯見(jiàn)計(jì)數(shù)器處于狀態(tài)0,，人工不按鍵,，則計(jì)數(shù)器保持狀態(tài)0。
主要程序結(jié)構(gòu)如下：
圖2是N為7的波形仿真圖,。在計(jì)數(shù)器狀態(tài)為0時(shí),，key_in有按鍵操作，計(jì)數(shù)器開(kāi)始連續(xù)計(jì)數(shù)直到計(jì)數(shù)器狀態(tài)為0,；計(jì)數(shù)器狀態(tài)為1-7時(shí),，key _in任何操作對(duì)計(jì)數(shù)器工作無(wú)影響，計(jì)數(shù)器在狀態(tài)為1時(shí),，輸出一個(gè)單脈沖,，脈沖寬度為1個(gè)時(shí)鐘周期。
該設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)是能很好消除按鍵抖動(dòng)產(chǎn)生的連續(xù)脈沖,，對(duì)按鍵時(shí)間沒(méi)有要求,，缺點(diǎn)是在計(jì)數(shù)器狀態(tài)為0時(shí)，遇到干擾,、噪音等時(shí)會(huì)有輸出,，從而產(chǎn)生誤操作。
2 D觸發(fā)器型消抖電路
D觸發(fā)器型消抖電路設(shè)計(jì)了三個(gè)D觸發(fā)器與一個(gè)三輸入與門(mén),。三個(gè)D觸發(fā)器串行連接,，其Q輸出端分別與三輸入與門(mén)的輸入端連接，D觸發(fā)器型消抖電路RTL電路如圖3所示,。
主要程序結(jié)構(gòu)如下：
圖4為D觸發(fā)器型消抖電路波形仿真圖,，由圖可見(jiàn)，當(dāng)按鍵操作時(shí)間大于或等于clk時(shí)鐘周期的3倍時(shí),，輸出一個(gè)正脈沖,，正脈沖的寬度比key_in少2個(gè)clk時(shí)鐘周期。
D觸發(fā)器型消抖電路與計(jì)數(shù)器型消抖電路(一)相似,，計(jì)數(shù)器型消抖電路(一)輸出脈沖寬度是固定的,，D觸發(fā)器型消抖電路輸出脈沖寬度隨著按鍵操作時(shí)間長(zhǎng)短變化。
3 狀態(tài)機(jī)型消抖電路
狀態(tài)機(jī)型消抖電路采用有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法來(lái)描述與實(shí)現(xiàn),，狀態(tài)機(jī)有S0,，S1，S2三種狀態(tài),，在S0狀態(tài)下key_out輸出為低電平,，并以clk時(shí)鐘信號(hào)的頻率采樣按鍵輸入信號(hào),，如果key_in=‘0’，則保持在S0狀態(tài),，并繼續(xù)采樣按鍵輸入信號(hào)的狀態(tài),，如果key_in=‘1’，則轉(zhuǎn)入S1狀態(tài),；在S1狀態(tài)下key_out輸出仍為低電平,，繼續(xù)采樣按鍵輸入信號(hào)的狀態(tài)，如果key_in=‘1’,，則轉(zhuǎn)入S2狀態(tài),，如果key_in=‘0’則轉(zhuǎn)入
S0狀態(tài)；在S2狀態(tài)下繼續(xù)采樣按鍵輸入信號(hào)的狀態(tài),，如果key_in=‘1’,，則保持在S2狀態(tài)，key_out輸出正脈沖,，如果key_in=‘0’,，則轉(zhuǎn)入S0狀態(tài)，key_out輸出低電平,。
主要程序結(jié)構(gòu)如下：
圖5為狀態(tài)機(jī)型消抖電路波形仿真圖,，由圖可見(jiàn)，該狀態(tài)機(jī)型消抖電路與D觸發(fā)器型消抖電路仿真結(jié)果一致,。
4 結(jié)束語(yǔ)
采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)按鍵的消抖電路的方法有很多,，本文介紹的幾種消抖電路都通過(guò)仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，消抖效果良好,，性能穩(wěn)定,，而且各有自己的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇使用,。