機(jī)械按鍵硬件原理

1. 背景

1.1 機(jī)械按鍵硬件原理

機(jī)械按鍵是指在硬件電路中，通過(guò)機(jī)械按鍵開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電平信號(hào)的通斷來(lái)達(dá)到按鍵觸發(fā)的硬件組件，見(jiàn)圖1.1:

圖1.1

嵌入式等電子設(shè)計(jì)中，機(jī)械按鍵的檢測(cè)兩種方法：

● 掃描檢測(cè)：定時(shí)掃描IO口狀態(tài)

● 中斷檢測(cè)：?jiǎn)⒂肐O中斷

??此后的內(nèi)容都是圍繞定時(shí)掃描IO口狀態(tài)的方式展開(kāi)的。

1.2 機(jī)械按鍵抖動(dòng)

1.2.1 抖動(dòng)原因

由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上就穩(wěn)定的接通，在斷開(kāi)時(shí)也不會(huì)一下子徹底斷開(kāi)，而是在閉合和斷開(kāi)的瞬間伴隨了一連串的抖動(dòng)。設(shè)按鍵時(shí)間為T(mén)a，抖動(dòng)時(shí)間Td，則Ta、Td的特性如下（見(jiàn)圖1.2.1）：
● Ta≈100ms（最快50ms）；
● Td≈10ms；

圖1.2.1

1.2.2 按鍵消抖

理想的按鍵波形是沒(méi)有抖動(dòng)的，但實(shí)際的波形是有電平抖動(dòng)的，對(duì)實(shí)際波形進(jìn)行數(shù)字化抽象后會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)存在毛刺，見(jiàn)圖1.2.2：

圖1.2.2

為了消除電平信號(hào)的毛刺，目前工程上有兩種手段，硬件消抖和軟件消抖：

A. 硬件消抖

● 在硬件電路上和按鍵并聯(lián)濾波電容

B. 軟件消抖

● 延時(shí)確認(rèn)：當(dāng)檢測(cè)到按鍵狀態(tài)改變時(shí)，先延時(shí)20ms，再次檢測(cè)按鍵；
● 持續(xù)采樣：持續(xù)采集按鍵狀態(tài)，用數(shù)字狀態(tài)機(jī)邏輯來(lái)判斷按鍵動(dòng)作。

硬件消抖需要增加元器件，增加項(xiàng)目成本，軟件消抖采用延時(shí)確認(rèn)方式時(shí)，軟件程序需要延時(shí)等待，延時(shí)過(guò)程不能進(jìn)行其他處理，對(duì)程序架構(gòu)不太友好，而持續(xù)采樣不會(huì)對(duì)程序流程造成阻塞，后續(xù)對(duì)持續(xù)采樣方式進(jìn)行深入闡述。

2. 數(shù)字邏輯狀態(tài)機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 抽象建模

2.1.1 按鍵操作狀態(tài)抽象

一次按鍵動(dòng)作可以抽象為3個(gè)狀態(tài)，按下、抬起、長(zhǎng)按：
● Keydown：一次按鍵操作的按下
● Keyup：一次按鍵操作的抬起
● Keypress：一次按鍵操作持續(xù)按住按鍵

圖2.1.1

2.1.2 系統(tǒng)抽象

將軟件掃描按鍵狀態(tài)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字邏輯電路抽象：
● 時(shí)鐘抽象：軟件每隔20ms采集一次按鍵的狀態(tài);
● 狀態(tài)抽象：連續(xù)掃描3次得到狀態(tài)序列011時(shí)，keydown才置1;
● 邏輯電路抽象：可以抽象為串行數(shù)據(jù)檢測(cè)器，只有輸入011才置1，采用同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)思路。

圖2.1.2

2.2 數(shù)字邏輯算法實(shí)現(xiàn)

2.2.1 數(shù)字邏輯抽象

A. 變量定義

● Scankey：軟件定時(shí)掃描的按鍵IO口狀態(tài)（0/1);
● Keydown：一次按鍵操作的按下;

B. 狀態(tài)邏輯抽象

● 設(shè)按鍵輸入Scankey為X，輸出結(jié)果Keydown為Y;
● 設(shè)沒(méi)有1輸入以前的狀態(tài)為a;
● 設(shè)輸入一個(gè)1后為狀態(tài)為b;
● 設(shè)前后有兩個(gè)1輸入后狀態(tài)為c;
● 設(shè)連續(xù)有三個(gè)1狀態(tài)為d

C. 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

經(jīng)過(guò)上面的數(shù)字邏輯抽象后，可以得到狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換表：

圖2.2.1

2.2.2 求解過(guò)程

A. 化簡(jiǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

通過(guò)上節(jié)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換表（圖2.2.1）可看出，狀態(tài)c和狀態(tài)d擁有相同的狀態(tài)轉(zhuǎn)換路徑，所以可以將狀態(tài)c和狀態(tài)d合并為同一個(gè)狀態(tài)c，化簡(jiǎn)后得到相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，見(jiàn)圖2.2.2.A：

圖2.2.2.A

B. 卡諾圖

根據(jù)狀態(tài)分配原則，狀態(tài)M=3，所以取觸發(fā)器位數(shù)n=2，可以選用兩個(gè)D觸發(fā)器：D0和D1，且輸出為Q0、Q1。如果取Q1Q0的狀態(tài)00、01、10分別代表狀態(tài)a、b、c，依據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖得到如下卡諾圖。

圖2.2.2.B

C. 分解卡諾圖

將卡諾圖分解，得到圖2.2.2.C：

圖2.2.2.C

D. 解方程

● 由Q1*、Q0*的卡諾圖，可得狀態(tài)方程：

Q1*=XQ0 +XQ1Q0*=XQ1ˊQ0ˊ

● 又因?yàn)镈觸發(fā)器特性方程為Q*=D，所以有：

Q0* = D0Q1* = D1

● 結(jié)合狀態(tài)方程，得驅(qū)動(dòng)方程：

D1 = XQ0 +XQ1D0 = XQ1ˊQ0ˊ

● 由Y的卡諾圖得輸出方程：

Y = XQ0

E. 轉(zhuǎn)為C程序算法

定義每次掃描得到的按鍵電平信號(hào)狀態(tài)的變量為Scankey，得按鍵按下Keydown相應(yīng)C代碼：

D1=Scankey & (Q0 | Q1); D0=Scankey & (~Q0) & (~Q1); Keydown=Scankey & Q0;Q1=D1;Q0=D0;

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)申請(qǐng)一個(gè)時(shí)鐘定時(shí)器資源，20sm觸發(fā)一次，每次觸發(fā)定時(shí)中斷時(shí)掃描得到按鍵電平狀態(tài)Scankey，并進(jìn)行上述算法運(yùn)算，得到Keydown狀態(tài)，同理可推出Keyup和Keypress的算法，感興趣者可自行推算。

3. 總結(jié)

上述數(shù)字狀態(tài)機(jī)軟件可以把一次按鍵操作的Keydown、Keyup、Keypress一起檢出，代碼精簡(jiǎn)，效率高。當(dāng)然這種方式對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性有要求，狀態(tài)會(huì)隨輸入改變而改變，同時(shí)耗費(fèi)系統(tǒng)定時(shí)器資源，需要定時(shí)查詢。

審核編輯 ：李倩