基于VHDL語言的幾種消抖電路的設(shè)計(jì)

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)對話，完成各種功能操作，而機(jī)械式按鍵開關(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語言設(shè)計(jì)了幾種按鍵開關(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，否則沒有脈沖輸出。如果按鍵開關(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任何操作對計(jì)數(shù)器工作無影響，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，對按鍵時(shí)間沒有要求，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。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，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，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
    采用VHDL語言實(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)勢與缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇使用。