摘 要： 對(duì)FPGA設(shè)計(jì)中使用按鍵的常見方式進(jìn)行歸納概括，提出單鍵復(fù)鍵兩類共5種典型的按鍵模式：琴鍵、脈沖、乒乓、連發(fā)和長(zhǎng)鍵模式，并對(duì)每種按鍵模式進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，同時(shí)給出了設(shè)計(jì)綜合的仿真結(jié)果。
關(guān)鍵詞： FPGA；按鍵模式；抖動(dòng)；單鍵；復(fù)鍵
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在FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，按鍵是最常見的人機(jī)交互接口部件。在沒有微控制器參與的情況下，F(xiàn)PGA系統(tǒng)中按鍵的功能相對(duì)較弱，通常可以將按鍵抖動(dòng)和按鍵處理結(jié)合起來統(tǒng)一考慮。關(guān)于按鍵的機(jī)械抖動(dòng)問題，在以文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]為代表的一類文章中均有討論；關(guān)于矩陣形式的鍵盤掃描問題，在以文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]為代表的一類文章中有論述。值得關(guān)注的是，在文獻(xiàn)[3]中提到過對(duì)按鍵處理“能表示長(zhǎng)時(shí)間按鍵的操作”的要求；在文獻(xiàn)[4]中也涉及到“單擊和連擊”兩種擊鍵情況。不論是文獻(xiàn)[3]的按鍵操作，還是文獻(xiàn)[4]的擊鍵操作，都可歸結(jié)為按鍵模式問題。目前針對(duì)FPGA按鍵模式討論的文章很少，因此本文專門探討FPGA的按鍵模式。
1 FPGA按鍵模式的分類
常見的按鍵模式分為單鍵模式和復(fù)鍵模式兩類。所謂單鍵類，就是一次按鍵最多只能輸出一個(gè)有效鍵；而復(fù)鍵類，則指一次按鍵可以輸出多個(gè)有效鍵，通常通過按鍵時(shí)間的長(zhǎng)短來區(qū)別多個(gè)有效鍵。
單鍵類一般有三種按鍵模式：琴鍵模式、脈沖模式、乒乓模式。在琴鍵模式下，按下鍵時(shí)輸出有效電平，釋放鍵時(shí)輸出無效電平。在脈沖模式下，每按下一次鍵只輸出一個(gè)特定寬度的有效脈沖，其寬度常與時(shí)鐘寬度相同，可以直接用做計(jì)數(shù)脈沖。在乒乓模式下，每按下一次鍵，鍵輸出電平翻轉(zhuǎn)一次。
復(fù)鍵類按鍵一般有連發(fā)模式和長(zhǎng)鍵模式。復(fù)鍵類按鍵在按鍵持續(xù)時(shí)間未達(dá)到長(zhǎng)按閾值時(shí)，輸出效果與單鍵類按鍵模式相同。與單鍵類按鍵模式的不同之處在于對(duì)持續(xù)按鍵的不同處理方式。連發(fā)模式是指持續(xù)按鍵一定時(shí)間以上，以一定頻率重復(fù)輸出有效鍵值。長(zhǎng)鍵模式則是指持續(xù)按鍵達(dá)到一定時(shí)間以上，輸出另外一種不同的有效鍵值。為方便對(duì)比，將幾種按鍵模式的分類情況列在表1中。
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2 單鍵類按鍵模式的設(shè)計(jì)
2.1 琴鍵模式的設(shè)計(jì)
琴鍵模式是所有按鍵模式中相對(duì)最簡(jiǎn)單的一種，只要考慮到按鍵的去抖問題就可以了。機(jī)械按鍵的抖動(dòng)是由于觸點(diǎn)的彈性作用在開關(guān)切換的瞬間出現(xiàn)來回彈跳的不穩(wěn)定現(xiàn)象，通常抖動(dòng)的時(shí)間為10ms～20ms。在FPGA設(shè)計(jì)中，比較簡(jiǎn)單的去抖方法就是用50Hz的頻率采樣按鍵，將20ms以內(nèi)的按鍵抖動(dòng)濾掉。在這種消抖方式下，去抖電路非常簡(jiǎn)單，用D觸發(fā)器即可方便實(shí)現(xiàn)。其寄存器傳輸級(jí)(RTL)原理圖如圖1所示。
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不失一般性，假設(shè)按鍵輸出高電平有效（下同），經(jīng)QuartusⅡ7.2功能仿真，得到其仿真波形如圖2所示。從波形圖可以看出，當(dāng)鍵KeyIn按下時(shí)，在時(shí)鐘信號(hào)Clock_50Hz的上升沿到達(dá)后，輸出信號(hào)KeyOut持續(xù)為高電平，直到釋鍵后輸出才變?yōu)榈碗娖健eyIn比較密集的脈沖代表按鍵或釋鍵的抖動(dòng)，從輸出信號(hào)KeyOut的波形可以看出按鍵與釋鍵過程的抖動(dòng)均已去掉，處理后鍵值輸出的電平變化均與時(shí)鐘信號(hào)的上升沿同步。
2.2 脈沖模式的設(shè)計(jì)
與琴鍵模式相比，脈沖模式的不同之處就是對(duì)其按鍵輸出有效電平限定了一個(gè)寬度，通常取時(shí)鐘寬度，即為一個(gè)時(shí)鐘寬度的脈沖。在琴鍵模式輸出的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)數(shù)字的微分環(huán)節(jié)，就可以獲得較窄寬度的脈沖。假設(shè)以正脈沖表示有效脈沖輸出（下同），其RTL原理圖如圖3所示。圖3左邊的D觸發(fā)器KeyTemp起到延遲的作用，它與KeyOut～0一并實(shí)現(xiàn)微分效果，檢測(cè)出上跳沿。圖3右邊的觸發(fā)器KeyOut～reg0則完成去抖功能。
仿真后的輸出波形如圖4所示。從脈沖模式的仿真波形圖中可以看出，完成一次按鍵動(dòng)作（包括按鍵和釋鍵），獲得一個(gè)時(shí)鐘寬度的正脈沖。為體現(xiàn)按鍵的靈敏性，正脈沖的輸出盡量靠近按鍵動(dòng)作，通常在檢測(cè)到跳沿時(shí)即輸出正脈沖，正如圖4中KeyOut所示信號(hào)。
2.3 乒乓模式的設(shè)計(jì)
在單鍵類按鍵模式中，乒乓模式與其他兩種模式的區(qū)別在于它的輸出并非是一次特定的有效脈沖，而是帶有輸出電平記憶功能，結(jié)果與原輸出電平相關(guān)，將原來的電平翻轉(zhuǎn)，即高電平變?yōu)榈碗娖剑蛘叩碗娖阶優(yōu)楦唠娖剑看伟存I輸出電平翻轉(zhuǎn)一次。乒乓模式的電路只需在有效跳沿檢測(cè)的基礎(chǔ)上，再跟上一個(gè)T’觸發(fā)器做一個(gè)電平翻轉(zhuǎn)即可，其RTL原理圖如圖5所示。圖5右邊的D觸發(fā)器KeyOut～reg0構(gòu)成T′觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)功能，同時(shí)兼去抖作用。
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乒乓模式電路仿真后的輸出波形如圖6所示。從乒乓模式的仿真波形圖中可以看出，完成一次按鍵動(dòng)作（包括按鍵和釋鍵），輸出信號(hào)KeyOut的電平翻轉(zhuǎn)一次。
3 復(fù)鍵類按鍵模式的設(shè)計(jì)
3.1 連發(fā)模式的設(shè)計(jì)
連發(fā)模式的按鍵過程分為兩個(gè)階段。兩個(gè)階段的劃分以預(yù)先設(shè)定的按鍵時(shí)間tTH為閾值，當(dāng)按鍵持續(xù)時(shí)間小于tTH時(shí)，輸出處于單鍵值階段，可以為琴鍵模式的有效電平，也可以為脈沖模式的有效脈沖。當(dāng)按鍵持續(xù)時(shí)間大于tTH時(shí)，通常輸出一個(gè)一定頻率的脈沖序列，直到釋放按鍵為止。連發(fā)模式的設(shè)計(jì)較單鍵類模式復(fù)雜，通常用硬件描述語言完成。其設(shè)計(jì)的控制核心可以用一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)（FSM）表述，如圖7所示。該FSM包括“空閑”、“單鍵”和“連發(fā)”三個(gè)狀態(tài)。空閑態(tài)是初始狀態(tài)，沒有鍵按下時(shí)總是處于空閑態(tài)。單鍵態(tài)表示有鍵按下，但是按鍵持續(xù)時(shí)間不到tTH。當(dāng)鍵持續(xù)按下時(shí)間超過tTH時(shí)，系統(tǒng)處于連發(fā)態(tài)。在空閑態(tài)，系統(tǒng)輸出低電平；在單鍵態(tài)，系統(tǒng)輸出一個(gè)正脈沖（也可以根據(jù)要求輸出有效電平）；在連發(fā)態(tài)，系統(tǒng)輸出一個(gè)特定頻率的脈沖序列。
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連發(fā)態(tài)下序列的輸出頻率是依據(jù)自己的應(yīng)用要求設(shè)定的。閾值tTH的大小表征人按鍵時(shí)間的長(zhǎng)短界限，通常選1～3s，比較符合人的按鍵習(xí)慣。為方便仿真，假設(shè)閾值tTH=1s，1s內(nèi)輸出一個(gè)時(shí)鐘周期寬度的正脈沖，1s后以10Hz的頻率輸出寬度為時(shí)鐘周期的正脈沖序列。按照有限狀態(tài)機(jī)采用Verilog硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)代碼略去)，設(shè)計(jì)綜合后的仿真輸出波形如圖8所示。圖8中的信號(hào)KeyIn模擬出兩次按鍵過程，前兩個(gè)“黑塊”分別代表一次按鍵及釋鍵過程，由于按鍵持續(xù)時(shí)間短，系統(tǒng)只輸出一個(gè)正脈沖信號(hào)。第二次按鍵動(dòng)作從第3個(gè)“黑塊”處開始，并一直持續(xù)按下不放，可以從KeyOut信號(hào)波形上看出，先輸出一個(gè)正脈沖，等待1s后，開始輸出頻率為10Hz的脈沖序列。
3.2 長(zhǎng)鍵模式的設(shè)計(jì)
長(zhǎng)鍵模式的按鍵過程與連發(fā)模式基本相同，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖如圖9所示。比較圖9與圖7，差別僅在于圖7的連發(fā)態(tài)換成了圖9的長(zhǎng)鍵態(tài)，用以區(qū)別兩者在此時(shí)不同的狀態(tài)輸出。
長(zhǎng)鍵模式的仿真波形如圖10所示。為有效表示長(zhǎng)鍵模式在長(zhǎng)鍵態(tài)時(shí)的輸出，引入第二個(gè)輸出信號(hào)KeyOutL。當(dāng)按鍵處于單鍵態(tài)時(shí)，KeyOut輸出為高電平（也可以是有效脈沖），否則為低電平。當(dāng)按鍵處于長(zhǎng)鍵態(tài)時(shí)，KeyOutL輸出為高電平（也可以是有效脈沖），否則為低電平。
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按鍵是最不可缺少的人機(jī)交互設(shè)備之一。按鍵的去抖與模式處理是最基本的兩個(gè)按鍵處理問題。在FPGA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景下，按鍵的兩個(gè)基本問題常放在一起考慮，但是目前國(guó)內(nèi)的文獻(xiàn)資料對(duì)這種情況的論述很少。
本文針對(duì)FPGA設(shè)計(jì)中使用按鍵的常見方式進(jìn)行歸納概括，提出單鍵復(fù)鍵兩類共5種典型的按鍵模式，并對(duì)每種按鍵模式進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，同時(shí)給出了QuartusII7.2下的功能仿真結(jié)果。這幾種典型的按鍵模式在一般的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也是值得借鑒與參考的。
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