2018年10月06日 | STM32单片机按键消抖和FPGA按键消抖大全

写在前面：

STM32单片机按键消抖和FPGA按键消抖大全

按键去抖：由上图可以看出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;

     end

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;

     end

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;

    end

测试代码

// 按键消抖测试电路

// 时间单位

`timescale 1ns/10ps

// module

module  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;

    end

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。