寫在前面：

按鍵去抖：理想波形與實(shí)際波形之間是有區(qū)別的，實(shí)際波形在按下和釋放的瞬間都有抖動(dòng)的現(xiàn)象，抖動(dòng)時(shí)間的長短和按鍵的機(jī)械特性有關(guān)，一般為 5~10ms。通常我們手動(dòng)按鍵然后釋放，這個(gè)動(dòng)作中穩(wěn)定閉合的時(shí)間超過了 20ms。因此單片機(jī)在檢測鍵盤是否按下時(shí)都要加上去抖動(dòng)操作，有專用的去抖動(dòng)電路，也有專門的去抖動(dòng)芯片，但通常我們采用軟件延時(shí)的方法就可以解決抖動(dòng)問題。

1、單片機(jī)中按鍵消抖程序

1.1 單片機(jī)中，比如 STM32 中，一般的方法（最簡單的方法）

軟件消抖程序：

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_14)==1)
{
delay_ms(20);// 延時(shí) 20ms 再去檢測按鍵值
if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_14)==0) // 相當(dāng)于下降沿
{
KEY1 = 1; // 表示 KEY1 被按下
}
}

1.2 比較全面的按鍵消抖程序及按鍵狀態(tài)檢測程序

第一步：初始化全局時(shí)間戳的定時(shí)器，一般采用 SysTick 定時(shí)器來產(chǎn)生，每 ms 一次 tick 即可。

第二步：初始化按鍵對應(yīng)的 IO，復(fù)用為邊沿觸發(fā)的外部中斷。

第三步：在外部中斷函數(shù)中添加按鍵事件處理函數(shù)。

代碼部分：
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

簡單定義一個(gè)按鍵狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體，用于管理每個(gè)按鍵的狀態(tài)。順便再定義一個(gè)長短按的識別閾值，用于區(qū)分按鍵的長短按。

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;
}
}

以上為需要添加到中斷處理函數(shù)的按鍵事件處理函數(shù)，算法的核心是一個(gè)狀態(tài)機(jī)。在本例中，按鍵被默認(rèn)上拉，按下接地。course_ms()為獲取全局時(shí)間戳的函數(shù)。

思路解釋如下：按鍵狀態(tài)結(jié)構(gòu)體有一個(gè)用于識別的狀態(tài)位，默認(rèn)處于 Release，也就是釋放的狀態(tài)。一旦按鍵被按下，中斷觸發(fā)，此時(shí)檢查是否是 Relase 狀態(tài)，如果是就檢查按鍵是否被拉低，如果是，此時(shí)進(jìn)入 May_Press 狀態(tài)，也就是可能是按下的，并且記錄此時(shí)的時(shí)間戳，這一步是消抖的關(guān)鍵。當(dāng)按鍵被釋放，由于是邊沿觸發(fā)，會(huì)再次進(jìn)行處理，此時(shí)檢查和上一次觸發(fā)之間的時(shí)間戳之差，如果小于 10ms 我們就認(rèn)為是抖動(dòng)，此時(shí)不會(huì)對按鍵輸出狀態(tài)進(jìn)行修改，而是直接將按鍵狀態(tài)置回 Relase 狀態(tài)，反之檢查差值和長短按閾值之間的關(guān)系，將 state 置位為對應(yīng)的狀態(tài)。消抖的核心在于記錄時(shí)間戳，而這只是一個(gè)簡單的賦值操作，并不耗費(fèi)時(shí)間。

效率上來說，延時(shí)消抖花費(fèi)時(shí)間在無意義延時(shí)上，而相對較好的定時(shí)輪詢還是不可避免的在輪詢，而現(xiàn)在這種方式完全是中斷性質(zhì)的。唯一多出的開銷（全局時(shí)間戳）并不是只可以用于按鍵消抖，另外在 HAL 庫中存在直接獲取 tick 的函數(shù)，這樣實(shí)現(xiàn)就更方便了。經(jīng)實(shí)際測試，消抖效果可以達(dá)到其他兩種消抖算法的水平。

2、FPGA 按鍵消抖程序

首先，做兩個(gè)假定，以方便后面的描述：

假定按鍵的默認(rèn)狀態(tài)為 0，被按下后為 1
假定按鍵抖動(dòng)時(shí)長小于 20ms，也即使用 20ms 的消抖時(shí)間

核心：方案

最容易想到的方案

在按鍵電平穩(wěn)定的情況下，當(dāng)?shù)谝淮螜z測到鍵位電平變化，開始 20ms 計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間到后將按鍵電平更新為當(dāng)前電平。

或許這才是最容易想的方案

在 20ms 計(jì)時(shí)的過程中，有任何的電平變化都立即復(fù)位計(jì)時(shí)

消除按鍵反應(yīng)延時(shí)抖方案

在有電平變化時(shí)立即改變按鍵輸出電平，并開始 20ms 計(jì)時(shí)，忽略這其中抖動(dòng)
測試平臺(tái)設(shè)計(jì)（修改代碼以仿真的 1us 代替實(shí)際 1ms）

無抖動(dòng) 上升沿抖動(dòng) 5 毫秒
下降沿抖動(dòng) 15 毫秒
上升和下降沿均抖動(dòng) 19 毫秒
附加測試（可以不通過）
抖動(dòng) 25 毫秒

代碼

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
測試代碼
// 按鍵消抖測試電路 // 時(shí)間單位`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

對于上面的三種方案，我比較喜歡第三種方案，它更貼合實(shí)際的按鍵狀態(tài)，以上的代碼我都做過 modelsim 仿真，但還沒有在實(shí)際的項(xiàng)目中驗(yàn)證。在整理準(zhǔn)備這個(gè)博客的時(shí)候，我又想到了一個(gè)感覺是更巧妙的方案，具體是這樣的：在第三個(gè)方案的基礎(chǔ)上，因?yàn)榘存I輸入有變化的第一時(shí)刻，輸出就已經(jīng)改變了，在這種情況下，我可以把計(jì)時(shí)的時(shí)長改為一個(gè)很小的值，該值只要比抖動(dòng)中的最長高低電平變化時(shí)間長即可。但想想也沒這個(gè)必要，且這個(gè)抖動(dòng)的高低電平變化時(shí)長我也很難去給它界定一個(gè)值。

審核編輯黃昊宇