基于VHDL的开关消抖电路的研究

1、收稿日期:2009-09-25基金项目:国家基础科学人才培养基金项目资助(J0530177;云南大学W X070148项目资助。作者简介:王彩君(1959-,女,副教授,主要从事电子 线路的科研、教学与实验工作。实验技术基于VHDL 的开关消抖电路的研究王彩君,周开邻,黄智进(云南大学物理科学技术学院,昆明 650091摘要:介绍了3种开关消抖方案的工作原理,给出了基于VHDL 的相关实现程序和测试结果,并就结构、抗干扰、时序配合等方面对电路性能进行分析讨论。电路实用性强,对学生设计电路有一定的启发引导。关 键 词:开关;消抖;VHDL 语言中图分类号:TN 79;TP39 文献标识码:A 文

2、章编号:1672-4550(201002-0001-03Research of Circuits Based on VHDL for D itheri ng E li m i nati on of SwitchWANG C ai j u n ,Z HOU K ai li n ,HUANG Zh i ji n g(School of Phys i cal S ci en ce and Technol ogy ,Yunn an Un ivers it y ,Kun m i ng 650091,C hinaAbstrac t :T he w ork i ng pr i nciple o f thre

3、e k i nds o f sche m es for dithe ri ng e li m i nati on of s w itch is i ntroduced R e lated procedures on VHDL and testi ng resu lts are g i ven T he circu it pe rf o r m ances about struct ure ,anti i n terference ,sequentia l coope ration ,e tc are ana lyzed and d i scussed T he proposed c ircui

4、ts have high practi cability and consequentl y can en li ghten st udents on c ircuit desi gn K ey word s :s w itch ;d ithe ri ng e li m i nati on ;VHDL l anguag e1 引 言机械式开关、按钮或键盘由于其低成本、高可靠性作为输入控制器件而被广泛应用于电子设备中。但是,由于此类开关机械弹性的作用,在开关闭合或断开的瞬间会伴随着一连串的随机抖动,使某些电路误动作,造成整个系统工作的异常。因此,在开关信号送入此类电路前,必须对其进行预处理,以消

5、除开关的抖动。本文归纳了3种基于VHDL(VH S I C H ar dw are Descri p tion Langaage 的实用开关消抖方案的工作原理、实体结构以及各自特点,希望对本科学生进行电子设备类的毕业设计起到一定的启发引导作用。2 开关消抖方案与实现基于VHDL 的开关消抖方案有很多,但按工作原理,可将它们归纳为 电平检测消抖法!、 定时检测消抖法!和 脉宽检测消抖法!3大类。2 1 电平检测消抖法电平检测消抖法是对开关信号电平值的多次检测比较来判断开关状态的。如图1所示,其中k 为模拟2次按键时的输入开关抖动信号;clk 为检测时钟;y 为消抖后的输出信号。在clk 上升沿时

6、刻检测,若连续检测到2个输入高电平(依次寄存在t m ep2、t m ep1中时才可认为开关稳定闭合1-2,y 输出高电平;只要检测到低电平,即认为开关断开,y 即回0。因此2次按键对应2个正脉冲输出。图1 电平检测消抖法仿真波形电平检测消抖电路主结构如下:process(c l k ,kbeg i nif c l k e 'vent and c l k=1''t hen /检测时钟到t m p1<=k ; /当前时刻的开关值存入t m p1中t m p2<=t mp1;/前一个时刻的开关值移入t m p2中end i;f end process ;y<

7、;=t m p1and t mp2; 只当前后2次检测值均为1时y 才为1由图1可见,为了达到较好的消抖效果,又要1 第8卷 第2期实验科学与技术对开关动作及时捕捉,该方案对检测时钟周期T C 要求较高,必须满足:T 1 T C T 2,故本例T C 取50m s 。若T C 太小,可能不能消抖。该方案的优点是电路结构简单,芯片占用资源较少(以EP M 7128为例为2 。但输出脉冲的出现时间和输出脉宽具有一定的随机性且不可调节,因此不宜用在对时序有较高要求的控制电路中。2 2 定时检测消抖法定时检测消抖法的工作原理如图2所示。其中clk 是2k H z 高频检测时钟。当开关闭合时,只要检测到

8、输入高电平,立即启动内部定时,并使该区间输出y 为高。当开关断开时,只要检测到输入低电平,再次启动内部定时,并使该区间y 保持低电平。只要定时时间T W 大于抖动期T 1,输入抖动就不会影响输出3-5。因此2次按键只对应2个正脉 冲输出。图2 定时检测消抖电路仿真波形定时检测消抖电路采用状态机设计2,主结构如下(其中S 是枚举类型信号,对应电路的4个工作状态;c n t 为定时器的计数变量:if clke 'vent and clk=1''thencase s is w hen s0=> /初始S 0态。等待开关闭合if k=0''t hen y

9、<=0''cnt :=0;s<=s0; elsey <=1''s<=s1; /开关闭合后进入定时S 1态end i;fw hen s1=> /在定时15m s 内y 输出高if cnt<=29t hens<=s1;cnt :=cnt+1;else y <=0''cnt :=0;s<=s2; /定时结束进入S 2态end i;fw hen s2=> /等待开关断开后进入S 3态if k=0''t hen s<=s3; elses<=s2;end i;fw hen

10、 s3=>/定时15m s 后回到S 0态 if cnt<=29t hen s<=s3;cnt :=cnt+1; e lse s<=s0; end i;f end case ;end i;f该方案的优点在于开关按下与输出时刻基本是同时关系,且输出脉宽也是确定可调的,因此适宜工作速度要求较高或对时序配合要求较高的场合。如数字按键作用后,经过一定的延时数据才稳定下来,配合此刻的开关消抖电路的输出脉冲下降沿即可将数据可靠锁存。缺点是电路结构较复杂,芯片占用资源较多(以EP M 7128为例为6。由于依据开关的一次检测值来判断开关状态,因而不适宜干扰、噪音等影响较大的场合。2

11、3 脉宽检测消抖法如图3所示,脉宽检测消抖电路内部也有一个计时器,用以检测输入正脉冲的宽度。只有大于10m s 脉宽出现且经过10m s 的延时,y 端才会出现一个正脉冲。因此该电路不仅可以有效地消除开关的抖动,还可以滤去干扰、噪音等其他尖峰波,抗干扰强,可靠性高。此外从开关稳定按下到输出波形上升沿出现的时间也是确定可调的,因而也可以满足一定的时序配合,达到消抖与时序配合的双重作用。缺点是电路较复杂,芯片占用资源与方案2相同。图3 脉宽检测消抖法仿真波形脉宽检测消抖电路主结构如下:if c l k e 'vent and c l k=1''t henif k=1'

12、;'thenif cnt<=19then y<=0''cnt :=cnt+1; e lse y<=1'' end i;f e lsey<=0''cnt :=0; end i;f end i;f(下转第11页2 实验科学与技术2010年4月(b 修正后数据频谱特性图4 1 9GH z单频正弦信号频谱图由式(4可以算出信纳比SI N AD=40 79dB。4无杂散动态范围(SFDR:基波分量与除基波分量外幅值最大的杂散分量的差值即为无杂散动态范围。其计算公式为:SFDR=20lg A2f1/A2fn(5由式(5可以算出

13、无杂散动态范围SFDR=42 1 dB。5总谐波失真(T HD:除去基波分量外的前9个谐波分量的均方根与基波的均方根的比值。其计算公式为:T HD=20lg A2f2+A2f2+A2f10A2f1(6由式(6可以算出总谐波失真THD=-46 8dB。4 结束语本文介绍了基于ADC083000的超宽带雷达信号高速数据采集与处理硬件设计方案,并给出了相应的软件设计方案。该方案以FPGA为控制与数据处理核心,以DDR2为外部大容量数据存储器,将高速A/D采样数据经处理后送入4个DDR2中缓存。实现了硬件设计,验证了方案的可行性。参考文献1 宋虎,陈建军 超高速采集系统在超宽带雷达系统中的应用J 现代

14、雷达,2007,29(7:58-60 2 杨小牛,楼才义,徐建良 软件无线电原理与应用M 北京:电子工业出版社,2001:11-143 P au lM C 3G Sps超高速ADC系统设计解决方案J电子设计技术,2007,6:168-1714 王浩,王子斌 一种2G sps数字示波器数据采集系统的设计J 信息与电子工程,2009,7(4:257-260 5 陈祝明 软件无线电技术基础M 北京:高等教育出版社,2007:22-316 Zou Si m i n,Z eng D eguo,T ang B in A W i deband PulseD etection A lgor it h m Ba

15、sed on A utocorrelationJ P roceed i ng s of9th Inte rnati onal Conference on E lectron icM easurem ent&Instru m ents,2009,I V:(AUG16-19:287-2897 王卫江,陶然 高速ADC的性能测试J 电子技术应用,2003,30(2:33-348 骆丽娜,杨万全 高速ADC的性能参数与测试方法J 实验科学与技术,2007,5(1:145-1479 N a ti ona l Se m i conduc t o r Co rpo ra ti on ADC08300

16、0H i ghPe rf o r m ance,Low P o w er,8-B it,3G SPS A/D Conver terEB/OL 2009-10-21 http:/www nati onal com,2009(上接第2页3 结束语为了实测电路的消抖效果,作者设计了一个抖动计数器,并下载到CPLD中。实测表明,开关闭合或断开时有几次到几百次的随机抖动,接入消抖电路后,抖动被消除。消抖方案很多,编程形式更是多样。本文介绍的几种具体电路只是给学生一个启发引导,打开思路。根据我们多年的教学经验,对开关消抖的指导可以分2个步骤:(1模拟仿真阶段,可以不考虑此类问题。(2下载到可编程器件中,实测电路性能,分析问题所在,修改相应电路。这样既加强了学生的工程意识,又提高了他们分析解决问题的能力,达到了较好的指导效果。参考文献1 王振红 VHDL