干货 | STM32单片机按键消抖和FPGA按键消抖大全

写在前面：

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;     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。

-END-

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