FPGA按鍵模式的研究與設(shè)計(jì)

1、fpga按鍵模式的研究與設(shè)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，按鍵是最頻繁的人機(jī)交互接口部件。在沒(méi)有微控制器參加的狀況下，fpga系統(tǒng)中按鍵的功能相對(duì)較弱，通常可以將按鍵顫動(dòng)和按鍵處理結(jié)合起來(lái)統(tǒng)一考慮。關(guān)于按鍵的機(jī)械顫動(dòng)問(wèn)題，在以文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)2為代表的一類文章中均有研究；關(guān)于矩陣形式的鍵盤掃描問(wèn)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(guò)對(duì)按鍵處理“能表示長(zhǎng)時(shí)光按鍵的操作”的要求；在文獻(xiàn)4中也涉及到“單擊和連擊”兩種擊鍵狀況。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(wèn)題。目前針對(duì)fpga按鍵模式研究的文章很少，因此本文特地探討fpga的按鍵模式。1 fpg

2、a按鍵模式的分類頻繁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(guò)按鍵時(shí)光的長(zhǎng)短來(lái)區(qū)分多個(gè)有效鍵。單鍵類普通有三種按鍵模式：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(wú)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，可以挺直用做計(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)鍵類按鍵普通有連發(fā)模式和長(zhǎng)鍵模式。復(fù)鍵類按鍵在按鍵持續(xù)時(shí)光未達(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

3、的不同處理方式。連發(fā)模式是指持續(xù)按鍵一定時(shí)光以上，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)光以上，輸出另外一種不同的有效鍵值。為便利對(duì)照，將幾種按鍵模式的分類狀況列在表1中。2 單鍵類按鍵模式的設(shè)計(jì)2.1 琴鍵模式的設(shè)計(jì)琴鍵模式是全部按鍵模式中相對(duì)最容易的一種，只要考慮到按鍵的去抖問(wèn)題就可以了。機(jī)械按鍵的顫動(dòng)是因?yàn)橛|點(diǎn)的彈性作用在開關(guān)切換的眨眼浮現(xiàn)往返彈跳的不穩(wěn)定現(xiàn)象，通常顫動(dòng)的時(shí)光為10ms20ms。在fpga設(shè)計(jì)中，比較容易的去抖辦法就是用50hz的頻率采樣按鍵，將20ms以內(nèi)的按鍵顫動(dòng)濾掉。在這種消抖方式下，去抖十分容易，用d觸發(fā)器即可便利實(shí)現(xiàn)。其寄存器傳輸級(jí)(rtl

4、)原理圖1所示。不失普通性，假設(shè)按鍵輸出高電平有效（下同），經(jīng)7.2功能，得到其仿真波形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的升高沿到達(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?。keyin比較密集的脈沖代表按鍵或釋鍵的顫動(dòng)，從輸出信號(hào)keyout的波形可以看出按鍵與釋鍵過(guò)程的顫動(dòng)均已去掉，處理后鍵值輸出的電平變幻均與時(shí)鐘信號(hào)的升高沿同步。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，再增強(qiáng)一個(gè)數(shù)字的微分環(huán)節(jié)，就可以獲

5、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3所示。圖3左邊的d觸發(fā)器keytemp起到延遲的作用，它與keyout0一并實(shí)現(xiàn)微分效果，檢測(cè)出上跳沿。圖3右邊的觸發(fā)器keyoutreg0則完成去抖功能。仿真后的輸出波形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)按鍵的敏捷性，正脈沖的輸出盡量逼近按鍵動(dòng)作，通常在檢測(cè)到跳沿時(shí)即輸出正脈沖，正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)分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

6、輸出電平相關(guān)，將本來(lái)的電平翻轉(zhuǎn)，即高電平變?yōu)榈碗娖?，或者低電平變?yōu)楦唠娖?，每次按鍵輸出電平翻轉(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5所示。圖5右邊的d觸發(fā)器keyoutreg0構(gòu)成t觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)功能，同時(shí)兼去抖作用。乒乓模式電路仿真后的輸出波形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(guò)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)光tth為閾值，當(dāng)按鍵持續(xù)時(shí)光小于tth時(shí)，輸出處于單鍵值階段，可以

7、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)光大于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(yǔ)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，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(méi)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)光不到tth。當(dāng)鍵持續(xù)按下時(shí)光超過(guò)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（也可以按照要求輸出有效電平）；在連發(fā)態(tài)，系統(tǒng)輸出一個(gè)特定頻率的脈沖序列。連發(fā)態(tài)下序列的輸出頻率是依據(jù)自己的應(yīng)用

8、要求設(shè)定的。閾值tth的大小表征人按鍵時(shí)光的長(zhǎng)短界限，通常選13s，比較符合人的按鍵習(xí)慣。為便利仿真，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。根據(jù)有限狀態(tài)機(jī)采納硬件描述語(yǔ)言舉行設(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8所示。圖8中的信號(hào)keyin模擬出兩次按鍵過(guò)程，前兩個(gè)“黑塊”分離代表一次按鍵及釋鍵過(guò)程，因?yàn)榘存I持續(xù)時(shí)光短，系統(tǒng)只輸出一個(gè)正脈沖信號(hào)。其次次按鍵動(dòng)作從第3個(gè)“黑塊”處開頭，并向來(lái)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，開頭輸出頻率為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(guò)程與連發(fā)模式基本相同，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換暗示圖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)分兩者在此時(shí)不同的狀態(tài)輸出。長(zhǎng)鍵模式的仿真波形10所示。為有效表示長(zhǎng)鍵模式在長(zhǎng)鍵態(tài)時(shí)的輸出，引入其次個(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。按鍵是最不行缺少的人機(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(wèn)題。在fpga系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景下，按鍵的兩個(gè)基本問(wèn)題常放在一起考慮，但是目前國(guó)內(nèi)的文獻(xiàn)資料