基于FPGA的邊緣檢測工程按鍵部分詳細(xì)解析

作者：小黑同學(xué)

本文為明德?lián)P原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請注明出處！

1.1 硬件電路

明德?lián)P采用MP801開發(fā)板來進(jìn)行邊緣檢測項(xiàng)目，在開發(fā)板中按鍵的實(shí)際位置如下圖所示：

明德?lián)PMP801開發(fā)板采用4個獨(dú)立按鍵加一個復(fù)位按鍵，其中最左邊為復(fù)位按鍵，并且采用上拉的連接方法，默認(rèn)為1，當(dāng)按鍵按下時，按鍵的電平被拉低。按鍵的電路原理圖如下所示：

1.2 按鍵原理

MP801開發(fā)板上的按鍵為機(jī)械式開關(guān)結(jié)構(gòu)，此機(jī)械式開關(guān)的是具有彈性的，因?yàn)槠浜诵牟考閺椥越饘倩善敲丛陂_啟或者閉合的瞬間會在接觸點(diǎn)出現(xiàn)來回彈跳的現(xiàn)象，即我們說的按鍵抖動。當(dāng)然這種情況并不是只在MP801開發(fā)板上出現(xiàn)，現(xiàn)階段下絕大多數(shù)的按鍵都是機(jī)械式開關(guān)結(jié)構(gòu)，這是無法避免的問題。

雖然只是進(jìn)行了一次按鍵,其實(shí)在按鍵信號穩(wěn)定的前后出現(xiàn)了多個脈沖，實(shí)際產(chǎn)生的波形如下圖所示：

在按鍵閉合和斷開的瞬間，我們其實(shí)只需要一組穩(wěn)定的上升沿和下降沿，但是實(shí)際情況卻產(chǎn)生了若干個沿。因此在實(shí)際的電路中，如果將這樣的信號直接傳送給微處理器掃描采集的話，那就存在把抖動信號當(dāng)做按鍵信號的可能，這樣雖然只按了一次按鍵，但是微處理器卻認(rèn)為按了多次按鍵。為了可以達(dá)到按一次按鍵就可以得到一次識別的效果，就需要對按鍵進(jìn)行消抖處理，消除按下按鍵時不穩(wěn)定、隨機(jī)的抖動電壓信號。機(jī)械式按鍵的抖動次數(shù)、抖動時間、抖動波形都是隨機(jī)的，不同類型的按鍵的最長抖動時間也不同，抖動時間的長短和按鍵的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5到10ms，但有些按鍵的抖動時間可達(dá)到 20 ms甚至更長。因此，具體設(shè)計(jì)中要具體分析，根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整設(shè)計(jì)。

1.3 按鍵捕捉

有些同學(xué)看到按鍵消抖處理，就理所應(yīng)當(dāng)以為是將按鍵按下這一活動的抖動部分進(jìn)行消除，但其實(shí)按鍵的消抖只是一種比較正式的說法，其本質(zhì)上是在抖動的波形中，捕捉到比較穩(wěn)定的電壓。

我們通過實(shí)際情況來學(xué)習(xí)下。一般按鍵都是低電平有效，通常情況下按鍵信號為高電平，當(dāng)主動按下按鍵時會變成低電平，這是按鍵的基本電平情況。前面我們有說到，在按下的瞬間，穩(wěn)定狀態(tài)的信號前后都會產(chǎn)生抖動，這時即使按鍵信號等于0也無法表示按鍵被按下。

為了解決這一問題，我們對此進(jìn)行了思考，不論信號為抖動信號還是正常信號，都對此進(jìn)行采集，并對其進(jìn)行監(jiān)控，如果信號變0，就可以暫時的判斷為進(jìn)行了按下按鍵操作。接著我們來判斷持續(xù)時間，當(dāng)此操作只持續(xù)了一瞬間，信號就變回了1，那么可以判斷為按鍵抖動；反之如果信號為0持續(xù)了一段時間并且趨于穩(wěn)定，那么就可以判斷此操作為按下按鍵。明德?lián)P管這種行為叫做按鍵捕捉，在按鍵信號中捕捉到持續(xù)一段時間的低電平信號，判斷為按下按鍵的有效操作。關(guān)于持續(xù)時間的判斷，明德?lián)P使用的MP801開發(fā)板抖動時間比較短，低電平信號持續(xù)10ms以上就可以判斷為按下按鍵的行為成立。

如下圖所示，按鍵持續(xù)為高電平，當(dāng)按下按鍵的時候會變?yōu)榈碗娖剑窃诖饲昂蠖紩a(chǎn)生一段高高低低的抖動信號。按鍵捕捉的方法就是持續(xù)的檢測信號的進(jìn)度，比如到第一個低電平產(chǎn)生時，開始計(jì)時，假設(shè)第一個出現(xiàn)的低電平持續(xù)時間為6ms，不滿足按鍵按下標(biāo)準(zhǔn)；第二個低電平信號出現(xiàn)持續(xù)時間為8ms，不滿足按鍵按下標(biāo)準(zhǔn)；到第四個低電平信號，持續(xù)了10ms以上，滿足按下按鍵標(biāo)準(zhǔn)，即可判斷這里有一次的按下按鍵操作；接著第五個低電平信號，持續(xù)時間為6ms，不滿足按下按鍵標(biāo)準(zhǔn)。這種方法，就可以幫助我們很好的確判斷有效按鍵信號。

我們將捕捉到的持續(xù)10ms以上低電平狀態(tài)的信號提取出來，就是表示按下按鍵操作的信號。在這里，明德?lián)P會選擇產(chǎn)生一個有效指示信號key_vld來表示按鍵的狀態(tài)。此信號初始狀態(tài)為低電平，當(dāng)捕捉到按鍵按下操作時，信號key_vld會變?yōu)楦唠娖剑掷m(xù)一個時鐘周期，然后重新變?yōu)榈碗娖健＿@時我們只要通過判斷key_vld信號的狀態(tài)，如有沒有變?yōu)楦唠娖健⒊霈F(xiàn)了幾個高電平，就可以判斷按鍵是否按下以及按下幾次按鍵。這里需要注意，key_vld信號不是代表按鍵的按下的低電平信號，而是已經(jīng)完成了按鍵捕捉的環(huán)節(jié)，對捕捉到的成功按下按鍵結(jié)果的一個表現(xiàn)。持續(xù)一個時鐘周期也并不是說按鍵信號持續(xù)了一個時鐘周期，而是向大家更加清晰的表示，這里進(jìn)行了按下按鍵操作。

這里可以理解為，當(dāng)捕捉到一個持續(xù)10ms以上的低電平信號，信號key_vld會舉手示意一下，再次捕捉到下一個時，信號key_vld會再次舉手示意一下。信號key_vld就如它的類型一樣，為有效表示信號，只是表示按下按鍵的有效操作，不做其他。

如下圖所示，我們增加了一個key_vld信號，此信號在這段時間內(nèi)拉高了一個時鐘周期，這就可以判斷按鍵按下了一次。

1.4 按鍵消抖的實(shí)現(xiàn)

前面有提到按鍵消抖并不是消除抖動，而是在有抖動的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的操作從而更加準(zhǔn)確的判斷按鍵操作的有效性，實(shí)現(xiàn)按鍵消抖有硬件方法和軟件方法。

硬件消抖的原理很簡單，就是在按鍵上并聯(lián)一個電容，如下圖，利用電容的充放電特性來對抖動過程中產(chǎn)生的電壓進(jìn)行平滑處理，從而實(shí)現(xiàn)消抖。原理前面也有詳細(xì)的講述

但實(shí)際應(yīng)用中，由于這種方式的效果不佳，會有一定的不穩(wěn)定性，增加了電容后由提升了電路的復(fù)雜程度，并且硬件的增加也令成本提高，綜合考慮后，明德?lián)P更多的是采用軟件即程序來實(shí)現(xiàn)消抖的。

前面我們講了捕捉到了足夠時間的信號，判斷為有效按鍵，明德?lián)P的軟件消抖方法即使用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)消抖。前面有講到，按下按鍵的操作會產(chǎn)生低電平，但是由于按鍵的抖動，導(dǎo)致并不是產(chǎn)生固定的一段低電平，而是在前后會有短時間的高低電平波動。那么我們就增加一個計(jì)數(shù)器，用來數(shù)低電平持續(xù)時間，當(dāng)持續(xù)時間達(dá)到10ms的時候，判斷完成一次有效按鍵操作，當(dāng)?shù)碗娖匠掷m(xù)時間不足10ms的時候，即判斷為按鍵抖動，不做有效判斷。

不同按鍵的抖動時間不同，這樣通過軟件實(shí)現(xiàn)按鍵消抖的方式，對于不同的按鍵可以設(shè)計(jì)不同的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時間，更具有穩(wěn)定性，也節(jié)約了一定成本，非常建議大家使用。

1.5 按鍵采集實(shí)現(xiàn)

理解了按鍵工作的原理，我們來在FPGA中實(shí)現(xiàn)按鍵采集。

我們先將設(shè)計(jì)目標(biāo)使用波形圖表示出來，如下圖所示，按鍵信號定義為key_in，持續(xù)為高電平狀態(tài)即1，變0表示按下按鍵，并且按下按鍵的時間是不確定的；由于按鍵信號key_in屬于異步信號，必須寄存兩拍，第一拍key_in_ff0將信號同步化，第二拍key_in_ff1減少亞穩(wěn)態(tài)帶來的影響。當(dāng)信號key_in_ff1變0時，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器數(shù)夠10ms表示按下按鍵；增加一個信號flag初始狀態(tài)為0，當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)夠10ms時信號變1，當(dāng)key_in_ff0結(jié)束變1時，flag信號變0，表示按鍵操作結(jié)束；增加一個key_vld信號，當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)夠10ms時拉高1個時鐘，表示成功按下一次按鍵。

根據(jù)波形圖一起來進(jìn)行代碼的實(shí)現(xiàn)，將信號key_in異步信號同步化代碼表示如下圖所示：

接著來將計(jì)時器用代碼表示出來首先計(jì)數(shù)器的加一條件，根據(jù)波形圖可知，當(dāng)key_in_ff1并且flag==0的時候，計(jì)數(shù)器加1條件成立。關(guān)于計(jì)數(shù)器數(shù)多少下，有目的可知道，當(dāng)按鍵低電平持續(xù)時間足夠10ms即按鍵動作有效，因此計(jì)數(shù)器數(shù)10ms，我們使用的時鐘頻率為50Mhz，那么一個時鐘周期就是20ns，要數(shù)夠10ms，就需要500000個時鐘周期，又因?yàn)橛?jì)數(shù)器是從0開始計(jì)數(shù)的，所以計(jì)數(shù)器的結(jié)束條件就是500000-1。

因此計(jì)數(shù)器的代碼表示如下所示：

接著標(biāo)志信號flag，信號處于低電平狀態(tài)，當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)夠500000下，標(biāo)志著按鍵操作成立，flag信號拉高，當(dāng)key_in_ff1變1，標(biāo)志著按鍵動作結(jié)束，因此flag的代碼表示如下：

當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)完10ms時，我們需要key_vld信號產(chǎn)生一個時鐘周期的高電平輸出，表示一次按鍵操作，因此當(dāng)end_cnt時，信號變1，代碼表示如下：

以上就是使用按鍵采集的整個過程，其中包含了按鍵信號消抖和信號捕捉，我們再來做一個總結(jié)，當(dāng)遇到有抖動產(chǎn)生的按鍵，就設(shè)置一個信號持續(xù)時間門檻，當(dāng)信號持續(xù)時間達(dá)到這個門檻，可以判斷為有效按鍵信號，當(dāng)無法達(dá)到這個門檻，則按下按鍵操作不成立。達(dá)到門檻的信號，即代表了一次按鍵操作成立，整個操作中，達(dá)到了幾次門檻，就代表按下幾次按鍵。代碼是以適配本工程硬件來寫的，但是道理都是相通的，后續(xù)讀者朋友們遇到按鍵消抖的問題可以使用這種方法解決。

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