胡傳志，沈建華，李躍華

（1.南通大學計算機科學與技術學院，南通 226019；2.華東師范大學）

一種實時性強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.南通大學計算機科學與技術學院，南通 226019；2.華東師范大學）

延時消抖方法是嵌入式系統(tǒng)中常見的按鍵消抖方法，其通過延時程序跳過抖動態(tài)，該方法雖然可行，但既不具備實時性，也不具備可移植性。針對這種情況，提出了一種新的按鍵消抖方法，該方法通過一個累乘算法來有效識別按鍵抖動態(tài)和穩(wěn)定態(tài)的區(qū)別，達到消除抖動影響的目的。實驗結果表明，該方法不僅實時性強而且具備可移植性。

嵌入式系統(tǒng)；按鍵消抖；抖動態(tài)；穩(wěn)定態(tài)；實時性

引 言

在嵌入式系統(tǒng)中，按鍵消抖是一個常見問題，延時消抖方法是教科書上常提到的一種按鍵消抖方法。延時消抖方法的原理是通過調用一個延時程序跳過抖動態(tài)，從而達到消抖的目的。這種方法有兩個致命的缺點：一是延時期間CPU一直被延時程序占用，長達幾十ms，這對于實時性要求很高的嵌入式系統(tǒng)來說無異于死機；二是延時程序通過指令周期的累加來實現(xiàn)延時，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。

為了克服延時消抖的缺點，有人提出了定時器中斷消抖方法，該方法的原理和延時消抖其實是一樣的，也是通過延時跳過抖動態(tài)，區(qū)別在于使用定時器取代延時程序。雖然通過定時器延時解決了實時性的問題，但是定時器的配置和使用在不同系統(tǒng)中是不同的，所以依然沒有解決可移植性的問題。

本文提出了一種新的按鍵消抖方法，與上述兩種方法不同，該方法不是機械地跳過抖動態(tài)，而是設法識別按鍵的抖動態(tài)和穩(wěn)定態(tài)，從而避開抖動影響。因為該方法的核心是通過一個累乘算法來識別抖動態(tài)和穩(wěn)定態(tài)，所以將該方法命名為累乘消抖方法。

1 按鍵信號分析

按鍵是嵌入式系統(tǒng)中常用的輸入單元，常見的電路形式如圖1所示。

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

圖1 按鍵電路單元

圖2 理想的按鍵信號

這樣，系統(tǒng)通過讀取keyin端電平來識別按鍵狀態(tài)，一個負脈沖代表一次按鍵。然而，實際中，在按下按鍵和松開按鍵的瞬間，由于觸點的彈性作用而引發(fā)電信號不穩(wěn)定，導致在這兩個瞬間都會有非常短暫（10ms左右，取決于按鍵的機電特性）的抖動毛刺存在，如圖3所示（為便于討論，將按鍵的狀態(tài)分為前沿抖動態(tài)、穩(wěn)定按下態(tài)、后沿抖動態(tài)和穩(wěn)定松開態(tài)）。

圖3 實際的按鍵信號

盡管抖動時間非常短暫，但是對于指令周期ns級的微控制器來說還是漫長的，以至于在微控制器看來就不是一個負脈沖，而是很多個負脈沖，從而導致一次按鍵被誤認為多次按鍵。按鍵消抖就是為了消除抖動影響，對于一次按鍵，只讓系統(tǒng)看作一次。延時消抖的原理是通過延時程序跳過抖動態(tài)，本文介紹的累乘消抖方法的原理是有效地識別當前按鍵所處狀態(tài)，然后根據(jù)不同的按鍵狀態(tài)做相應的處理。

2 累乘消抖方法

2.1 抖動態(tài)和穩(wěn)定態(tài)的區(qū)別

累乘消抖方法的關鍵是識別抖動態(tài)和穩(wěn)定態(tài)的區(qū)別。由圖3可知，抖動態(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)定松開態(tài)）。抖動態(tài)的特征是變化，穩(wěn)定態(tài)的特征是不變，基于這點，只要設計出一個能夠區(qū)別變化量和不變量的算法，就可以識別出抖動態(tài)和穩(wěn)定態(tài)。

如圖3所示，在一次按鍵過程中，按鍵依次經歷了前沿抖動態(tài)、穩(wěn)定按下態(tài)、后沿抖動態(tài)和穩(wěn)定松開態(tài)。其中，前沿抖動態(tài)是變化的，期間按鍵值keyin不會一直為0，會有若干次跳變回1；穩(wěn)定按下態(tài)是不變的，期間按鍵值一直為0；后沿抖動態(tài)是變化的，期間按鍵值不會一直為1，會有若干次跳變?yōu)?；穩(wěn)定松開態(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)分析見表1。

表1 按鍵狀態(tài)分析

設計一種算法，如果能夠區(qū)別“不一直”和“一直”，那么問題便迎刃而解。借助邏輯乘運算的“全真才真，有假則假”的特點可以輕松解決這個問題。

2.2 累乘算法

在等待按鍵按下時，如果檢測到有低電平，則緊接著連續(xù)讀取按鍵信號N次。如果處于剛按下時的抖動態(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N不是太小時，能夠保證其中至少會有一次發(fā)生在毛刺的頂部。如果對這N次按鍵值是否為0進行累計邏輯乘操作，那么結果為假。如果是處于穩(wěn)定的按下態(tài)，這N次讀取都為低電平，則對這N次按鍵值是否為0進行累計邏輯乘操作，結果為真。

在等待按鍵松開時，如果檢測到有高電平，緊接著連續(xù)讀取按鍵信號N次。如果處于剛松開時的抖動態(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N不是太小時，能夠保證其中至少會有一次發(fā)生在毛刺的底部。如果對這N次按鍵值是否為1進行累計邏輯乘操作，則結果為假。如果是處于穩(wěn)定松開態(tài)，這N次讀取都為高電平，對這N次按鍵值是否為1進行累計邏輯乘操作，結果為真。

至此可以給出一個算法，在N次循環(huán)中，將按鍵值與期望值進行比較，將它們是否與期望值相等的邏輯結果用邏輯乘運算作累計，根據(jù)累計值來判別按鍵狀態(tài)，鑒于累計、邏輯乘這兩個關鍵要素，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，對于抖動態(tài)，是不會將循環(huán)執(zhí)行到底的，在第一次沒有讀到期望值時，就否定了循環(huán)條件。對于穩(wěn)定態(tài)，一直讀到的都是期望值，退出循環(huán)的原因是計數(shù)次數(shù)已到。退出循環(huán)后的累計值Andup若為假，即為抖動態(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，真表示按下。當按鍵處于穩(wěn)定按下態(tài)時，返回真，其他狀態(tài)返回假。通過一個不超過COUNT次的循環(huán)檢測來判別抖動態(tài)和穩(wěn)定態(tài)，尚未達到COUNT次但因為Andup為假而退出循環(huán)的是抖動態(tài)；達到了COUNT次而退出循環(huán)的是穩(wěn)定態(tài)，此時Andup為真。

循環(huán)次數(shù)COUNT的設置很重要，COUNT值太小，可能導致判斷不準確；取值太大，則會浪費。浪費只會發(fā)生在穩(wěn)定態(tài)，在抖動態(tài)是不存在浪費的，因為一旦沒有讀到期望值就導致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)相對于延時消抖里的幾十ms來說，可以說是完全釋放了CPU，大大提高了系統(tǒng)的實時性。另外，該方法不涉及指令周期和定時器等底層硬件，所以完全具備可移植性。

3 實驗與分析

本文以Tiva C LaunchPad為實驗平臺驗證累乘消抖方法的可行性和實時性。在將算法實例化之前，首先要考慮的就是COUNT的取值問題，因為COUNT的取值決定了算法的可行性和實時性。

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態(tài)的某次逆跳變，所謂逆跳變指前沿抖動態(tài)的跳回1，以及后沿抖動態(tài)的跳回0?？赡艹霈F(xiàn)這樣的情況，前沿抖動時恰巧每次讀取都發(fā)生在0處，后沿抖動時恰巧每次讀取都發(fā)生在1處。這樣就導致把抖動態(tài)誤認為穩(wěn)定態(tài)，從而使算法失去了可行性。COUNT取值太大的話，又會在穩(wěn)定態(tài)的循環(huán)累乘中浪費大量CPU時間，從而使算法損失了實時性。

實驗中，依次取COUNT值為20、10、2。同時，為了記錄每次循環(huán)累乘的執(zhí)行情況，在循環(huán)累乘的一開始添加一條語句，將循環(huán)計數(shù)器n通過串行口輸出到上位機的串口終端程序，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次的是抖動態(tài)，到了COUNT次的是穩(wěn)定態(tài)。特別要注意每次抖動態(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就等于提高實時性。

當COUNT=20時，按鍵靈敏，證明可行，其中隨機一次按鍵，串口記錄的執(zhí)行情況見表2。

表2 COUNT=20時串口記錄的執(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次時讀到了逆跳變，說明是抖動。第2次循環(huán)累乘，循環(huán)體執(zhí)行了3次，在第3次時讀到了逆跳變，說明是抖動。第3次循環(huán)累乘，循環(huán)體執(zhí)行了20次，一直沒有讀到逆跳變，說明是穩(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次時讀到了逆跳變，說明是抖動。第5次循環(huán)累乘，循環(huán)體執(zhí)行了3次，在第3次時讀到了逆跳變，說明是抖動。第6次循環(huán)累乘，循環(huán)體執(zhí)行了2次，在第2次時讀到了逆跳變，說明是抖動。第7次循環(huán)累乘，循環(huán)體執(zhí)行了20次，一直沒有讀到逆跳變，說明是穩(wěn)定態(tài)。對于本次按鍵，抖動態(tài)的循環(huán)累乘次數(shù)為2～3次。

當COUNT=10時，按鍵靈敏，證明可行。其中隨機一次按鍵，串口記錄情況見表3。

對于本次按鍵，抖動態(tài)的循環(huán)累乘次數(shù)也為2～3次。

當COUNT=2時，按鍵不靈，說明不可行。因為兩次循環(huán)不足以保證在抖動態(tài)期間一定有一次能讀到逆跳變，以至于將抖動態(tài)誤認為穩(wěn)定態(tài)，從而導致一次按鍵被誤認為多次。

表3 COUNT=10時串口記錄的執(zhí)行情況表

多做幾次實驗之后發(fā)現(xiàn)，每次抖動態(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驗結果都羅列出來。

3.2 評估

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，最多的循環(huán)次數(shù)也就是COUNT次，相比較延時消抖中的百萬次循環(huán)（將ns級的指令周期累加到ms級，需要執(zhí)行百萬次循環(huán)）來說大大提高了實時性。另外，累乘消抖程序并不涉及指令周期和定時器等底層硬件具有可移植性。

結 語

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

累乘消抖則好比一個聰明的小孩，沒有停止看電視，只是定期地看一眼水壺的狀態(tài)，如果水沒開，繼續(xù)看電視，如果水開了就告知家長。通過這個比喻可以形象地看到累乘消抖具有很強的實時性。另外，累乘消抖不涉及指令周期和定時器等底層硬件，所以又具備可移植性。雖然為了達到最理想的實時性，要通過實驗確定當前系統(tǒng)最適合的COUNT值，但如果要求不是過于嚴苛，直接選用COUNT為100即可。

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

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

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

［4］陳良琳，肖春發(fā).基于Atmel QTouch的ATmega48感應按鍵設計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2011，11（5）：37-39.

［5］袁鑫.以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)通用硬件平臺設計［D］.天津：南開大學，2011.

［6］楊茂林.基于移動BREW3.1.5平臺的嵌入式應用的開發(fā)與研究［D］.北京：北京郵電大學，2010.

［7］孫強，張振華，曹躍龍.使用UML和C語言實現(xiàn)基于對象的嵌入式軟件開發(fā)［J］.計算機測量與控制，2003，11（4）：292-294.

［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），主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)結構。

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）

南通市應用研究項目（BK2012068）；南通大學自然科學基金（13Z002）。