基于VHDL语言的几种消抖电路的设计

摘要：按键被广泛用于基于FPGA的数字电路系统设计中，机械式按键开关在按键操作时经常会出现抖动现象，如果不进行消除将会造成电路系统的误操作。基于此介绍了基于VHDL语言的计数器型消抖电路、D触发器型消抖电路、状态机型消抖电路的工作原理、相关程序、波形仿真及结果分析，并下栽到EP2C35F672C8芯片上进行验证，消抖效果良好，性能稳定，可广泛用于FPGA的按键电路中。
关键词：VHDL；消抖；FPGA

0 引言
    按键开关是许多电子产品不可缺少的输入设备，在智能化电子产品中，按键开关作为人机交互的主要器件之一，可以实现人机对话，完成各种功能操作，而机械式按键开关由于其低成本、高可靠性被广泛使用。在按键操作时，机械触点的弹性及电压突跳等原因，在触点闭合或开启的瞬间会出现电压抖动，实际应用中如果不进行处理将会造成误触发。常见的硬件消抖方法有：利用电容的充放电原理；利用RS触发的保持功能；由同相器组成的积分去抖电路；用反相器组成的翻转式去抖电路；不可重复触发单稳态等等。本文采用VHDL语言设计了几种按键开关的消抖电路。

1 计数器型消抖电路
1．1 计数器型消抖电路(一)
    计数器型消抖电路(一)是设置一个模值为(N+1)的控制计数器，clk在上升沿时，如果按键开关key_in='1'，计数器加1，key_in='0' 时，计数器清零。当计数器值为2时，key_out输出才为1，其他值为0时。计数器值为N时处于保持状态。因此按键key_in持续时间大于N个clk时钟周期时，计数器输出一个单脉冲，否则没有脉冲输出。如果按键开关抖动产生的毛刺宽度小于N个时钟周期，因而毛刺作用不可能使计数器有输出，防抖动目的得以实现。clk的时钟周期与N的值可以根据按键抖动时间由设计者自行设定。
    主要程序结构如下：
   
   
    图1是N为3的波形仿真图，当按键持续时间大于3个时钟周期，计数器输出一个单脉冲，其宽度为1个时钟周期，小于3个时钟周期的窄脉冲用作模拟抖动干扰，从图1可以看出，抖动不能干扰正常的单脉冲输出。

    该方案的特点是能很好消除按键抖动产生的窄脉冲，还可以滤去干扰、噪音等其他尖峰波，但遇到脉宽大于N个Tclk时钟周期的干扰、噪音等时会有输出从而产生误操作，而对于按键操作要求按键时间必须大于N个Tclk时钟周期，否则按键操作也没有输出。

1．2 计数器型消抖电路(二)
    计数器型消抖电路(二)是控制计数器工作一个循环周期(N+1个状态)，且仅在计数器为0时输出为“1”。电路设计了连锁控制设施。在计数器处于状态0时，此时若有按键操作，则计数器进入状态1，同时输出单脉冲(其宽度等于时钟周期)。计数器处于其他状态，都没有单脉冲输出。计数器处于状态N时，控制en='0'，导致计数器退出状态N，进入状态0。计数器能否保持状态0，取决于人工按键操作，若按键key_ in='1'，控制en='1'(计数器能正常工作)，key_in='0'，计数器状态保持。显见计数器处于状态0，人工不按键，则计数器保持状态0。
    主要程序结构如下：
   
   
    图2是N为7的波形仿真图。在计数器状态为0时，key_in有按键操作，计数器开始连续计数直到计数器状态为0；计数器状态为1-7时，key _in任何操作对计数器工作无影响，计数器在状态为1时，输出一个单脉冲，脉冲宽度为1个时钟周期。

    该设计方案的特点是能很好消除按键抖动产生的连续脉冲，对按键时间没有要求，缺点是在计数器状态为0时，遇到干扰、噪音等时会有输出，从而产生误操作。

2 D触发器型消抖电路
    D触发器型消抖电路设计了三个D触发器与一个三输入与门。三个D触发器串行连接，其Q输出端分别与三输入与门的输入端连接，D触发器型消抖电路RTL电路如图3所示。

    主要程序结构如下：
   
    图4为D触发器型消抖电路波形仿真图，由图可见，当按键操作时间大于或等于clk时钟周期的3倍时，输出一个正脉冲，正脉冲的宽度比key_in少2个clk时钟周期。

    D触发器型消抖电路与计数器型消抖电路(一)相似，计数器型消抖电路(一)输出脉冲宽度是固定的，D触发器型消抖电路输出脉冲宽度随着按键操作时间长短变化。

3 状态机型消抖电路
    状态机型消抖电路采用有限状态机的设计方法来描述与实现，状态机有S0，S1，S2三种状态，在S0状态下key_out输出为低电平，并以clk时钟信号的频率采样按键输入信号，如果key_in=‘0’，则保持在S0状态，并继续采样按键输入信号的状态，如果key_in=‘1’，则转入S1状态；在S1状态下key_out输出仍为低电平，继续采样按键输入信号的状态，如果key_in=‘1’，则转入S2状态，如果key_in=‘0’则转入
S0状态；在S2状态下继续采样按键输入信号的状态，如果key_in=‘1’，则保持在S2状态，key_out输出正脉冲，如果key_in=‘0’，则转入S0状态，key_out输出低电平。
    主要程序结构如下：
   
    图5为状态机型消抖电路波形仿真图，由图可见，该状态机型消抖电路与D触发器型消抖电路仿真结果一致。

4 结束语
    采用VHDL语言实现按键的消抖电路的方法有很多，本文介绍的几种消抖电路都通过仿真分析及实验验证，消抖效果良好，性能稳定，而且各有自己的优势与缺点，设计者可以根据设计需求选择使用。