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(qǐng)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(gè)獨(dú)立按鍵加一個(gè)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(shí)，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(huì)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(dòng)。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(hào)穩(wěn)定的前后出現(xiàn)了多個(gè)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(gè)沿。因此在實(shí)際的電路中，如果將這樣的信號(hào)直接傳送給微處理器掃描采集的話，那就存在把抖動(dòng)信號(hào)當(dāng)做按鍵信號(hào)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(shí)別的效果，就需要對(duì)按鍵進(jìn)行消抖處理，消除按下按鍵時(shí)不穩(wěn)定、隨機(jī)的抖動(dòng)電壓信號(hào)。機(jī)械式按鍵的抖動(dòng)次數(shù)、抖動(dòng)時(shí)間、抖動(dòng)波形都是隨機(jī)的，不同類型的按鍵的最長抖動(dòng)時(shí)間也不同，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到10ms，但有些按鍵的抖動(dòng)時(shí)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(dòng)的抖動(dòng)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(dòng)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(hào)為高電平，當(dāng)主動(dòng)按下按鍵時(shí)會(huì)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(hào)前后都會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，這時(shí)即使按鍵信號(hào)等于0也無法表示按鍵被按下。
為了解決這一問題，我們對(duì)此進(jìn)行了思考，不論信號(hào)為抖動(dòng)信號(hào)還是正常信號(hào)，都對(duì)此進(jìn)行采集，并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，如果信號(hào)變0，就可以暫時(shí)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(shí)間，當(dāng)此操作只持續(xù)了一瞬間，信號(hào)就變回了1，那么可以判斷為按鍵抖動(dòng)；反之如果信號(hào)為0持續(xù)了一段時(shí)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(hào)中捕捉到持續(xù)一段時(shí)間的低電平信號(hào)，判斷為按下按鍵的有效操作。關(guān)于持續(xù)時(shí)間的判斷，明德?lián)P使用的MP801開發(fā)板抖動(dòng)時(shí)間比較短，低電平信號(hào)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(shí)候會(huì)變?yōu)榈碗娖剑窃诖饲昂蠖紩?huì)產(chǎn)生一段高高低低的抖動(dòng)信號(hào)。按鍵捕捉的方法就是持續(xù)的檢測信號(hào)的進(jìn)度，比如到第一個(gè)低電平產(chǎn)生時(shí)，開始計(jì)時(shí)，假設(shè)第一個(gè)出現(xiàn)的低電平持續(xù)時(shí)間為6ms，不滿足按鍵按下標(biāo)準(zhǔn)；第二個(gè)低電平信號(hào)出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間為8ms，不滿足按鍵按下標(biāo)準(zhǔn)；到第四個(gè)低電平信號(hào)，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(gè)低電平信號(hào)，持續(xù)時(shí)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(hào)。
我們將捕捉到的持續(xù)10ms以上低電平狀態(tài)的信號(hào)提取出來，就是表示按下按鍵操作的信號(hào)。在這里，明德?lián)P會(huì)選擇產(chǎn)生一個(gè)有效指示信號(hào)key_vld來表示按鍵的狀態(tài)。此信號(hào)初始狀態(tài)為低電平，當(dāng)捕捉到按鍵按下操作時(shí)，信號(hào)key_vld會(huì)變?yōu)楦唠娖剑掷m(xù)一個(gè)時(shí)鐘周期，然后重新變?yōu)榈碗娖健＿@時(shí)我們只要通過判斷key_vld信號(hào)的狀態(tài)，如有沒有變?yōu)楦唠娖健⒊霈F(xiàn)了幾個(gè)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(hào)不是代表按鍵的按下的低電平信號(hào)，而是已經(jīng)完成了按鍵捕捉的環(huán)節(jié)，對(duì)捕捉到的成功按下按鍵結(jié)果的一個(gè)表現(xiàn)。持續(xù)一個(gè)時(shí)鐘周期也并不是說按鍵信號(hào)持續(xù)了一個(gè)時(shí)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(gè)持續(xù)10ms以上的低電平信號(hào)，信號(hào)key_vld會(huì)舉手示意一下，再次捕捉到下一個(gè)時(shí)，信號(hào)key_vld會(huì)再次舉手示意一下。信號(hào)key_vld就如它的類型一樣，為有效表示信號(hào)，只是表示按下按鍵的有效操作，不做其他。
如下圖所示，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)key_vld信號(hào)，此信號(hào)在這段時(shí)間內(nèi)拉高了一個(gè)時(shí)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(dòng)，而是在有抖動(dòng)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(gè)電容，如下圖，利用電容的充放電特性來對(duì)抖動(dòng)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(huì)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(shí)間的信號(hào)，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(huì)產(chǎn)生低電平，但是由于按鍵的抖動(dòng)，導(dǎo)致并不是產(chǎn)生固定的一段低電平，而是在前后會(huì)有短時(shí)間的高低電平波動(dòng)。那么我們就增加一個(gè)計(jì)數(shù)器，用來數(shù)低電平持續(xù)時(shí)間，當(dāng)持續(xù)時(shí)間達(dá)到10ms的時(shí)候，判斷完成一次有效按鍵操作，當(dāng)?shù)碗娖匠掷m(xù)時(shí)間不足10ms的時(shí)候，即判斷為按鍵抖動(dòng)，不做有效判斷。
不同按鍵的抖動(dòng)時(shí)間不同，這樣通過軟件實(shí)現(xiàn)按鍵消抖的方式，對(duì)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(shí)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(hào)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(shí)間是不確定的；由于按鍵信號(hào)key_in屬于異步信號(hào)，必須寄存兩拍，第一拍key_in_ff0將信號(hào)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(hào)key_in_ff1變0時(shí)，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(gè)信號(hào)flag初始狀態(tài)為0，當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)夠10ms時(shí)信號(hào)變1，當(dāng)key_in_ff0結(jié)束變1時(shí)，flag信號(hào)變0，表示按鍵操作結(jié)束；增加一個(gè)key_vld信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)夠10ms時(shí)拉高1個(gè)時(shí)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(hào)key_in異步信號(hào)同步化代碼表示如下圖所示：
接著來將計(jì)時(shí)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(shí)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(shí)間足夠10ms即按鍵動(dòng)作有效，因此計(jì)數(shù)器數(shù)10ms，我們使用的時(shí)鐘頻率為50Mhz，那么一個(gè)時(shí)鐘周期就是20ns，要數(shù)夠10ms，就需要500000個(gè)時(shí)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(hào)flag，信號(hào)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(hào)拉高，當(dāng)key_in_ff1變1，標(biāo)志著按鍵動(dòng)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(shí)，我們需要key_vld信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平輸出，表示一次按鍵操作，因此當(dāng)end_cnt時(shí)，信號(hào)變1，代碼表示如下：
以上就是使用按鍵采集的整個(gè)過程，其中包含了按鍵信號(hào)消抖和信號(hào)捕捉，我們?cè)賮碜鲆粋€(gè)總結(jié)，當(dāng)遇到有抖動(dòng)產(chǎn)生的按鍵，就設(shè)置一個(gè)信號(hào)持續(xù)時(shí)間門檻，當(dāng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間達(dá)到這個(gè)門檻，可以判斷為有效按鍵信號(hào)，當(dāng)無法達(dá)到這個(gè)門檻，則按下按鍵操作不成立。達(dá)到門檻的信號(hào)，即代表了一次按鍵操作成立，整個(gè)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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