胡傳志，沈建華，李躍華

（1.南通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南通 226019；2.華東師范大學(xué)）

一種實(shí)時(shí)性強(qiáng)并且可移植的按鍵消抖方法＊

胡傳志1，2，沈建華2，李躍華1

（1.南通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南通 226019；2.華東師范大學(xué)）

延時(shí)消抖方法是嵌入式系統(tǒng)中常見(jiàn)的按鍵消抖方法，其通過(guò)延時(shí)程序跳過(guò)抖動(dòng)態(tài)，該方法雖然可行，但既不具備實(shí)時(shí)性，也不具備可移植性。針對(duì)這種情況，提出了一種新的按鍵消抖方法，該方法通過(guò)一個(gè)累乘算法來(lái)有效識(shí)別按鍵抖動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定態(tài)的區(qū)別，達(dá)到消除抖動(dòng)影響的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅實(shí)時(shí)性強(qiáng)而且具備可移植性。

嵌入式系統(tǒng)；按鍵消抖；抖動(dòng)態(tài)；穩(wěn)定態(tài)；實(shí)時(shí)性

引 言

在嵌入式系統(tǒng)中，按鍵消抖是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，延時(shí)消抖方法是教科書上常提到的一種按鍵消抖方法。延時(shí)消抖方法的原理是通過(guò)調(diào)用一個(gè)延時(shí)程序跳過(guò)抖動(dòng)態(tài)，從而達(dá)到消抖的目的。這種方法有兩個(gè)致命的缺點(diǎn)：一是延時(shí)期間CPU一直被延時(shí)程序占用，長(zhǎng)達(dá)幾十ms，這對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)無(wú)異于死機(jī)；二是延時(shí)程序通過(guò)指令周期的累加來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)，而不同系統(tǒng)的指令周期是不同的，所以該方法不具備可移植性。

為了克服延時(shí)消抖的缺點(diǎn)，有人提出了定時(shí)器中斷消抖方法，該方法的原理和延時(shí)消抖其實(shí)是一樣的，也是通過(guò)延時(shí)跳過(guò)抖動(dòng)態(tài)，區(qū)別在于使用定時(shí)器取代延時(shí)程序。雖然通過(guò)定時(shí)器延時(shí)解決了實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，但是定時(shí)器的配置和使用在不同系統(tǒng)中是不同的，所以依然沒(méi)有解決可移植性的問(wèn)題。

本文提出了一種新的按鍵消抖方法，與上述兩種方法不同，該方法不是機(jī)械地跳過(guò)抖動(dòng)態(tài)，而是設(shè)法識(shí)別按鍵的抖動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定態(tài)，從而避開(kāi)抖動(dòng)影響。因?yàn)樵摲椒ǖ暮诵氖峭ㄟ^(guò)一個(gè)累乘算法來(lái)識(shí)別抖動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定態(tài)，所以將該方法命名為累乘消抖方法。

1 按鍵信號(hào)分析

按鍵是嵌入式系統(tǒng)中常用的輸入單元，常見(jiàn)的電路形式如圖1所示。

按下按鍵SW，按鍵值（即keyin端電平）由高變低；松開(kāi)按鍵，keyin端電平由低變高，即在keyin端出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖，如圖2所示。

圖1 按鍵電路單元

圖2 理想的按鍵信號(hào)

這樣，系統(tǒng)通過(guò)讀取keyin端電平來(lái)識(shí)別按鍵狀態(tài)，一個(gè)負(fù)脈沖代表一次按鍵。然而，實(shí)際中，在按下按鍵和松開(kāi)按鍵的瞬間，由于觸點(diǎn)的彈性作用而引發(fā)電信號(hào)不穩(wěn)定，導(dǎo)致在這兩個(gè)瞬間都會(huì)有非常短暫（10ms左右，取決于按鍵的機(jī)電特性）的抖動(dòng)毛刺存在，如圖3所示（為便于討論，將按鍵的狀態(tài)分為前沿抖動(dòng)態(tài)、穩(wěn)定按下態(tài)、后沿抖動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定松開(kāi)態(tài)）。

圖3 實(shí)際的按鍵信號(hào)

盡管抖動(dòng)時(shí)間非常短暫，但是對(duì)于指令周期ns級(jí)的微控制器來(lái)說(shuō)還是漫長(zhǎng)的，以至于在微控制器看來(lái)就不是一個(gè)負(fù)脈沖，而是很多個(gè)負(fù)脈沖，從而導(dǎo)致一次按鍵被誤認(rèn)為多次按鍵。按鍵消抖就是為了消除抖動(dòng)影響，對(duì)于一次按鍵，只讓系統(tǒng)看作一次。延時(shí)消抖的原理是通過(guò)延時(shí)程序跳過(guò)抖動(dòng)態(tài)，本文介紹的累乘消抖方法的原理是有效地識(shí)別當(dāng)前按鍵所處狀態(tài)，然后根據(jù)不同的按鍵狀態(tài)做相應(yīng)的處理。

2 累乘消抖方法

2.1 抖動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定態(tài)的區(qū)別

累乘消抖方法的關(guān)鍵是識(shí)別抖動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定態(tài)的區(qū)別。由圖3可知，抖動(dòng)態(tài)是頻繁的1、0跳變；穩(wěn)定態(tài)或者一直為0（穩(wěn)定按下態(tài)），或者一直為1（穩(wěn)定松開(kāi)態(tài)）。抖動(dòng)態(tài)的特征是變化，穩(wěn)定態(tài)的特征是不變，基于這點(diǎn)，只要設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠區(qū)別變化量和不變量的算法，就可以識(shí)別出抖動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定態(tài)。

如圖3所示，在一次按鍵過(guò)程中，按鍵依次經(jīng)歷了前沿抖動(dòng)態(tài)、穩(wěn)定按下態(tài)、后沿抖動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定松開(kāi)態(tài)。其中，前沿抖動(dòng)態(tài)是變化的，期間按鍵值keyin不會(huì)一直為0，會(huì)有若干次跳變回1；穩(wěn)定按下態(tài)是不變的，期間按鍵值一直為0；后沿抖動(dòng)態(tài)是變化的，期間按鍵值不會(huì)一直為1，會(huì)有若干次跳變?yōu)?；穩(wěn)定松開(kāi)態(tài)是不變的，期間按鍵值一直為1。

兩種“變化”都表現(xiàn)為“不一直”，兩種“不變”都表現(xiàn)為“一直”。按鍵狀態(tài)分析見(jiàn)表1。

表1 按鍵狀態(tài)分析

設(shè)計(jì)一種算法，如果能夠區(qū)別“不一直”和“一直”，那么問(wèn)題便迎刃而解。借助邏輯乘運(yùn)算的“全真才真，有假則假”的特點(diǎn)可以輕松解決這個(gè)問(wèn)題。

2.2 累乘算法

在等待按鍵按下時(shí)，如果檢測(cè)到有低電平，則緊接著連續(xù)讀取按鍵信號(hào)N次。如果處于剛按下時(shí)的抖動(dòng)態(tài)，這N次讀取可能發(fā)生在毛刺的底部（低電平），也可能發(fā)生在毛刺的頂部（高電平），當(dāng)N不是太小時(shí)，能夠保證其中至少會(huì)有一次發(fā)生在毛刺的頂部。如果對(duì)這N次按鍵值是否為0進(jìn)行累計(jì)邏輯乘操作，那么結(jié)果為假。如果是處于穩(wěn)定的按下態(tài)，這N次讀取都為低電平，則對(duì)這N次按鍵值是否為0進(jìn)行累計(jì)邏輯乘操作，結(jié)果為真。

在等待按鍵松開(kāi)時(shí)，如果檢測(cè)到有高電平，緊接著連續(xù)讀取按鍵信號(hào)N次。如果處于剛松開(kāi)時(shí)的抖動(dòng)態(tài)，這N次讀取可能發(fā)生在毛刺的頂部（高電平），也可能發(fā)生在毛刺的底部（低電平），當(dāng)N不是太小時(shí)，能夠保證其中至少會(huì)有一次發(fā)生在毛刺的底部。如果對(duì)這N次按鍵值是否為1進(jìn)行累計(jì)邏輯乘操作，則結(jié)果為假。如果是處于穩(wěn)定松開(kāi)態(tài)，這N次讀取都為高電平，對(duì)這N次按鍵值是否為1進(jìn)行累計(jì)邏輯乘操作，結(jié)果為真。

至此可以給出一個(gè)算法，在N次循環(huán)中，將按鍵值與期望值進(jìn)行比較，將它們是否與期望值相等的邏輯結(jié)果用邏輯乘運(yùn)算作累計(jì)，根據(jù)累計(jì)值來(lái)判別按鍵狀態(tài)，鑒于累計(jì)、邏輯乘這兩個(gè)關(guān)鍵要素，將此算法命名為累乘算法，描述如下：

算法分析：從循環(huán)條件可以看出，對(duì)于抖動(dòng)態(tài)，是不會(huì)將循環(huán)執(zhí)行到底的，在第一次沒(méi)有讀到期望值時(shí)，就否定了循環(huán)條件。對(duì)于穩(wěn)定態(tài)，一直讀到的都是期望值，退出循環(huán)的原因是計(jì)數(shù)次數(shù)已到。退出循環(huán)后的累計(jì)值A(chǔ)ndup若為假，即為抖動(dòng)態(tài)，若為真，即為穩(wěn)定態(tài)。

2.3 累乘消抖方法

基于累乘算法識(shí)別按鍵狀態(tài)，建立的按鍵消抖程序如下：

程序分析：靜態(tài)布爾變量Pressed記錄按鍵的狀態(tài)，假表示松開(kāi)，真表示按下。當(dāng)按鍵處于穩(wěn)定按下態(tài)時(shí)，返回真，其他狀態(tài)返回假。通過(guò)一個(gè)不超過(guò)COUNT次的循環(huán)檢測(cè)來(lái)判別抖動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定態(tài)，尚未達(dá)到COUNT次但因?yàn)锳ndup為假而退出循環(huán)的是抖動(dòng)態(tài)；達(dá)到了COUNT次而退出循環(huán)的是穩(wěn)定態(tài)，此時(shí)Andup為真。

循環(huán)次數(shù)COUNT的設(shè)置很重要，COUNT值太小，可能導(dǎo)致判斷不準(zhǔn)確；取值太大，則會(huì)浪費(fèi)。浪費(fèi)只會(huì)發(fā)生在穩(wěn)定態(tài)，在抖動(dòng)態(tài)是不存在浪費(fèi)的，因?yàn)橐坏](méi)有讀到期望值就導(dǎo)致Andup值為假，從而否定了循環(huán)條件。只有在穩(wěn)定態(tài)，直到COUNT次才退出循環(huán)，總共循環(huán)COUNT次。COUNT次循環(huán)相對(duì)于延時(shí)消抖里的幾十ms來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)是完全釋放了CPU，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。另外，該方法不涉及指令周期和定時(shí)器等底層硬件，所以完全具備可移植性。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

本文以Tiva C LaunchPad為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證累乘消抖方法的可行性和實(shí)時(shí)性。在將算法實(shí)例化之前，首先要考慮的就是COUNT的取值問(wèn)題，因?yàn)镃OUNT的取值決定了算法的可行性和實(shí)時(shí)性。

3.1 COUNT取值方法

COUNT取值太小的話，不能保證在次數(shù)很少的循環(huán)累乘中一定能讀到抖動(dòng)態(tài)的某次逆跳變，所謂逆跳變指前沿抖動(dòng)態(tài)的跳回1，以及后沿抖動(dòng)態(tài)的跳回0?？赡艹霈F(xiàn)這樣的情況，前沿抖動(dòng)時(shí)恰巧每次讀取都發(fā)生在0處，后沿抖動(dòng)時(shí)恰巧每次讀取都發(fā)生在1處。這樣就導(dǎo)致把抖動(dòng)態(tài)誤認(rèn)為穩(wěn)定態(tài)，從而使算法失去了可行性。COUNT取值太大的話，又會(huì)在穩(wěn)定態(tài)的循環(huán)累乘中浪費(fèi)大量CPU時(shí)間，從而使算法損失了實(shí)時(shí)性。

實(shí)驗(yàn)中，依次取COUNT值為20、10、2。同時(shí)，為了記錄每次循環(huán)累乘的執(zhí)行情況，在循環(huán)累乘的一開(kāi)始添加一條語(yǔ)句，將循環(huán)計(jì)數(shù)器n通過(guò)串行口輸出到上位機(jī)的串口終端程序，這樣便可以清楚地看到每次循環(huán)累乘都執(zhí)行了幾次。不到COUNT次的是抖動(dòng)態(tài)，到了COUNT次的是穩(wěn)定態(tài)。特別要注意每次抖動(dòng)態(tài)的循環(huán)次數(shù)，目的是了解大概幾次就可以讀到逆跳變。這為盡量縮小COUNT提供了依據(jù)，縮小COUNT就等于提高實(shí)時(shí)性。

當(dāng)COUNT=20時(shí)，按鍵靈敏，證明可行，其中隨機(jī)一次按鍵，串口記錄的執(zhí)行情況見(jiàn)表2。

表2 COUNT=20時(shí)串口記錄的執(zhí)行情況

第1次循環(huán)累乘，循環(huán)體執(zhí)行了2次，在第2次時(shí)讀到了逆跳變，說(shuō)明是抖動(dòng)。第2次循環(huán)累乘，循環(huán)體執(zhí)行了3次，在第3次時(shí)讀到了逆跳變，說(shuō)明是抖動(dòng)。第3次循環(huán)累乘，循環(huán)體執(zhí)行了20次，一直沒(méi)有讀到逆跳變，說(shuō)明是穩(wěn)定態(tài)。第4次循環(huán)累乘，循環(huán)體執(zhí)行了2次，在第2次時(shí)讀到了逆跳變，說(shuō)明是抖動(dòng)。第5次循環(huán)累乘，循環(huán)體執(zhí)行了3次，在第3次時(shí)讀到了逆跳變，說(shuō)明是抖動(dòng)。第6次循環(huán)累乘，循環(huán)體執(zhí)行了2次，在第2次時(shí)讀到了逆跳變，說(shuō)明是抖動(dòng)。第7次循環(huán)累乘，循環(huán)體執(zhí)行了20次，一直沒(méi)有讀到逆跳變，說(shuō)明是穩(wěn)定態(tài)。對(duì)于本次按鍵，抖動(dòng)態(tài)的循環(huán)累乘次數(shù)為2～3次。

當(dāng)COUNT=10時(shí)，按鍵靈敏，證明可行。其中隨機(jī)一次按鍵，串口記錄情況見(jiàn)表3。

對(duì)于本次按鍵，抖動(dòng)態(tài)的循環(huán)累乘次數(shù)也為2～3次。

當(dāng)COUNT=2時(shí)，按鍵不靈，說(shuō)明不可行。因?yàn)閮纱窝h(huán)不足以保證在抖動(dòng)態(tài)期間一定有一次能讀到逆跳變，以至于將抖動(dòng)態(tài)誤認(rèn)為穩(wěn)定態(tài)，從而導(dǎo)致一次按鍵被誤認(rèn)為多次。

表3 COUNT=10時(shí)串口記錄的執(zhí)行情況表

多做幾次實(shí)驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，每次抖動(dòng)態(tài)的循環(huán)累乘最多需要三次就可以讀到逆跳變，所以COUNT值要大于3，為了留有一定冗余，取COUNT值為10即可。限于篇幅不能把每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都羅列出來(lái)。

3.2 評(píng)估

累乘消抖程序總是在執(zhí)行幾次循環(huán)后就交出執(zhí)行權(quán)，最多的循環(huán)次數(shù)也就是COUNT次，相比較延時(shí)消抖中的百萬(wàn)次循環(huán)（將ns級(jí)的指令周期累加到ms級(jí)，需要執(zhí)行百萬(wàn)次循環(huán)）來(lái)說(shuō)大大提高了實(shí)時(shí)性。另外，累乘消抖程序并不涉及指令周期和定時(shí)器等底層硬件具有可移植性。

結(jié) 語(yǔ)

使用累乘消抖方法建立的消抖程序在識(shí)別出按鍵的狀態(tài)后立刻返回，交出CPU使用權(quán)。區(qū)別是不同的返回代碼反映了不同的按鍵狀態(tài)，如果是抖動(dòng)態(tài)則不予處理，如果是穩(wěn)定態(tài)則給予相應(yīng)處理。如果把按鍵消抖比作家長(zhǎng)吩咐正在看電視的小孩看著燒水的水壺，抖動(dòng)態(tài)好比水正在燒，穩(wěn)定態(tài)好比水已燒開(kāi)。那么，延時(shí)消抖就好比一個(gè)笨小孩，離開(kāi)了電視機(jī)，一直盯著水壺，直到水開(kāi)。

累乘消抖則好比一個(gè)聰明的小孩，沒(méi)有停止看電視，只是定期地看一眼水壺的狀態(tài)，如果水沒(méi)開(kāi)，繼續(xù)看電視，如果水開(kāi)了就告知家長(zhǎng)。通過(guò)這個(gè)比喻可以形象地看到累乘消抖具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。另外，累乘消抖不涉及指令周期和定時(shí)器等底層硬件，所以又具備可移植性。雖然為了達(dá)到最理想的實(shí)時(shí)性，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定當(dāng)前系統(tǒng)最適合的COUNT值，但如果要求不是過(guò)于嚴(yán)苛，直接選用COUNT為100即可。

［1］卜登立.基于優(yōu)先級(jí)編碼器的非編碼矩陣鍵盤接口設(shè)計(jì)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2010，37（4）：93-95.

［2］張迎偉.基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備點(diǎn)檢儀研制［D］.西安：西安科技大學(xué)，2011.

［3］曾立志.基于嵌入式系統(tǒng)的按鍵接口設(shè)計(jì)技術(shù)研究［J］.軟件，2013，34（7）：63-64.

［4］陳良琳，肖春發(fā).基于Atmel QTouch的ATmega48感應(yīng)按鍵設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11（5）：37-39.

［5］袁鑫.以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)通用硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)［D］.天津：南開(kāi)大學(xué)，2011.

［6］楊茂林.基于移動(dòng)BREW3.1.5平臺(tái)的嵌入式應(yīng)用的開(kāi)發(fā)與研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2010.

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［8］Maeda Y，Kentaro T，MIYAKAWA M.Quantitative Analysis on Usability of Button-Input Interfaces［J］.IEICE transactions on fundamentals of electronics，communications and computer sciences，2011，94（2）：789-794.

［9］Morimoto K，Miyajima C，Itou K，et al.A virtual button interface using fingertip movements［C］//Machine Learning and Cybernetics，2007International Conference on IEEE，2007（4）：2089-2093.

胡傳志（碩士研究生），主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

High Real-time and Portable Method for Shaking Elimination of Keystroke

Hu Chuanzhi1，2，Shen Jianhua2，Li Yuehua1
（1.School of Computer Science&Technology，Nantong University，Nantong 226019，China；2.East China Normal University）

Time-lapse method is a common method of shaking elimination of keystroke in the embedded system，it skips shaking-state via a time-lapse program，but this method has neither real-time performance nor portability.For this reason，a new method of shaking elimination of keystroke is proposed.It recognizes the difference between the shaking-state and steady-state via an algorithm of accumulated multiplication，so that it can eliminate the influence of shaking.The experimental results show that the method has both high real-time performance and portability.

embedded system；shaking elimination of keystroke；shaking-state；steady-state；real-time performance

TP368.1

A

??楊迪娜

2015-01-26）

南通市應(yīng)用研究項(xiàng)目（BK2012068）；南通大學(xué)自然科學(xué)基金（13Z002）。