STM单片机中的按键消抖和FPGA消抖

454398 2022-11-30 2576

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描述

写在前面：

按键去抖：理想波形与实际波形之间是有区别的，实际波形在按下和释放的瞬间都有抖动的现象，抖动时间的长短和按键的机械特性有关，一般为 5~10ms。通常我们手动按键然后释放，这个动作中稳定闭合的时间超过了 20ms。因此单片机在检测键盘是否按下时都要加上去抖动操作，有专用的去抖动电路，也有专门的去抖动芯片，但通常我们采用软件延时的方法就可以解决抖动问题。

1、单片机中按键消抖程序

1.1 单片机中，比如 STM32 中，一般的方法（最简单的方法）

软件消抖程序：

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_14)==1)
{
delay_ms(20);// 延时 20ms 再去检测按键值
if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_14)==0) // 相当于下降沿
{
KEY1 = 1; // 表示 KEY1 被按下
}
}

1.2 比较全面的按键消抖程序及按键状态检测程序

第一步：初始化全局时间戳的定时器，一般采用 SysTick 定时器来产生，每 ms 一次 tick 即可。

第二步：初始化按键对应的 IO，复用为边沿触发的外部中断。

第三步：在外部中断函数中添加按键事件处理函数。

代码部分：
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

简单定义一个按键状态的结构体，用于管理每个按键的状态。顺便再定义一个长短按的识别阈值，用于区分按键的长短按。

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;
}
}

以上为需要添加到中断处理函数的按键事件处理函数，算法的核心是一个状态机。在本例中，按键被默认上拉，按下接地。course_ms()为获取全局时间戳的函数。

思路解释如下：按键状态结构体有一个用于识别的状态位，默认处于 Release，也就是释放的状态。一旦按键被按下，中断触发，此时检查是否是 Relase 状态，如果是就检查按键是否被拉低，如果是，此时进入 May_Press 状态，也就是可能是按下的，并且记录此时的时间戳，这一步是消抖的关键。当按键被释放，由于是边沿触发，会再次进行处理，此时检查和上一次触发之间的时间戳之差，如果小于 10ms 我们就认为是抖动，此时不会对按键输出状态进行修改，而是直接将按键状态置回 Relase 状态，反之检查差值和长短按阈值之间的关系，将 state 置位为对应的状态。消抖的核心在于记录时间戳，而这只是一个简单的赋值操作，并不耗费时间。

效率上来说，延时消抖花费时间在无意义延时上，而相对较好的定时轮询还是不可避免的在轮询，而现在这种方式完全是中断性质的。唯一多出的开销（全局时间戳）并不是只可以用于按键消抖，另外在 HAL 库中存在直接获取 tick 的函数，这样实现就更方便了。经实际测试，消抖效果可以达到其他两种消抖算法的水平。

2、FPGA 按键消抖程序

首先，做两个假定，以方便后面的描述：

假定按键的默认状态为 0，被按下后为 1
假定按键抖动时长小于 20ms，也即使用 20ms 的消抖时间

核心：方案

最容易想到的方案

在按键电平稳定的情况下，当第一次检测到键位电平变化，开始 20ms 计时，计时时间到后将按键电平更新为当前电平。

或许这才是最容易想的方案

在 20ms 计时的过程中，有任何的电平变化都立即复位计时

消除按键反应延时抖方案

在有电平变化时立即改变按键输出电平，并开始 20ms 计时，忽略这其中抖动
测试平台设计（修改代码以仿真的 1us 代替实际 1ms）

无抖动上升沿抖动 5 毫秒
下降沿抖动 15 毫秒
上升和下降沿均抖动 19 毫秒
　　附加测试（可以不通过）
抖动 25 毫秒

代码

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
测试代码
// 按键消抖测试电路 // 时间单位`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

对于上面的三种方案，我比较喜欢第三种方案，它更贴合实际的按键状态，以上的代码我都做过 modelsim 仿真，但还没有在实际的项目中验证。在整理准备这个博客的时候，我又想到了一个感觉是更巧妙的方案，具体是这样的：在第三个方案的基础上，因为按键输入有变化的第一时刻，输出就已经改变了，在这种情况下，我可以把计时的时长改为一个很小的值，该值只要比抖动中的最长高低电平变化时间长即可。但想想也没这个必要，且这个抖动的高低电平变化时长我也很难去给它界定一个值。

审核编辑黄昊宇

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