一种实时性强并且可移植的按键消抖方法＊

胡传志，沈建华，李跃华

（1.南通大学计算机科学与技术学院，南通 226019；2.华东师范大学）

一种实时性强并且可移植的按键消抖方法＊

胡传志1，2，沈建华2，李跃华1

（1.南通大学计算机科学与技术学院，南通 226019；2.华东师范大学）

延时消抖方法是嵌入式系统中常见的按键消抖方法，其通过延时程序跳过抖动态，该方法虽然可行，但既不具备实时性，也不具备可移植性。针对这种情况，提出了一种新的按键消抖方法，该方法通过一个累乘算法来有效识别按键抖动态和稳定态的区别，达到消除抖动影响的目的。实验结果表明，该方法不仅实时性强而且具备可移植性。

嵌入式系统；按键消抖；抖动态；稳定态；实时性

引 言

在嵌入式系统中，按键消抖是一个常见问题，延时消抖方法是教科书上常提到的一种按键消抖方法。延时消抖方法的原理是通过调用一个延时程序跳过抖动态，从而达到消抖的目的。这种方法有两个致命的缺点：一是延时期间CPU一直被延时程序占用，长达几十ms，这对于实时性要求很高的嵌入式系统来说无异于死机；二是延时程序通过指令周期的累加来实现延时，而不同系统的指令周期是不同的，所以该方法不具备可移植性。

为了克服延时消抖的缺点，有人提出了定时器中断消抖方法，该方法的原理和延时消抖其实是一样的，也是通过延时跳过抖动态，区别在于使用定时器取代延时程序。虽然通过定时器延时解决了实时性的问题，但是定时器的配置和使用在不同系统中是不同的，所以依然没有解决可移植性的问题。

本文提出了一种新的按键消抖方法，与上述两种方法不同，该方法不是机械地跳过抖动态，而是设法识别按键的抖动态和稳定态，从而避开抖动影响。因为该方法的核心是通过一个累乘算法来识别抖动态和稳定态，所以将该方法命名为累乘消抖方法。

1 按键信号分析

按键是嵌入式系统中常用的输入单元，常见的电路形式如图1所示。

按下按键SW，按键值（即keyin端电平）由高变低；松开按键，keyin端电平由低变高，即在keyin端出现一个负脉冲，如图2所示。

图1 按键电路单元

图2 理想的按键信号

这样，系统通过读取keyin端电平来识别按键状态，一个负脉冲代表一次按键。然而，实际中，在按下按键和松开按键的瞬间，由于触点的弹性作用而引发电信号不稳定，导致在这两个瞬间都会有非常短暂（10ms左右，取决于按键的机电特性）的抖动毛刺存在，如图3所示（为便于讨论，将按键的状态分为前沿抖动态、稳定按下态、后沿抖动态和稳定松开态）。

图3 实际的按键信号

尽管抖动时间非常短暂，但是对于指令周期ns级的微控制器来说还是漫长的，以至于在微控制器看来就不是一个负脉冲，而是很多个负脉冲，从而导致一次按键被误认为多次按键。按键消抖就是为了消除抖动影响，对于一次按键，只让系统看作一次。延时消抖的原理是通过延时程序跳过抖动态，本文介绍的累乘消抖方法的原理是有效地识别当前按键所处状态，然后根据不同的按键状态做相应的处理。

2 累乘消抖方法

2.1 抖动态和稳定态的区别

累乘消抖方法的关键是识别抖动态和稳定态的区别。由图3可知，抖动态是频繁的1、0跳变；稳定态或者一直为0（稳定按下态），或者一直为1（稳定松开态）。抖动态的特征是变化，稳定态的特征是不变，基于这点，只要设计出一个能够区别变化量和不变量的算法，就可以识别出抖动态和稳定态。

如图3所示，在一次按键过程中，按键依次经历了前沿抖动态、稳定按下态、后沿抖动态和稳定松开态。其中，前沿抖动态是变化的，期间按键值keyin不会一直为0，会有若干次跳变回1；稳定按下态是不变的，期间按键值一直为0；后沿抖动态是变化的，期间按键值不会一直为1，会有若干次跳变为0；稳定松开态是不变的，期间按键值一直为1。

两种“变化”都表现为“不一直”，两种“不变”都表现为“一直”。按键状态分析见表1。

表1 按键状态分析

设计一种算法，如果能够区别“不一直”和“一直”，那么问题便迎刃而解。借助逻辑乘运算的“全真才真，有假则假”的特点可以轻松解决这个问题。

2.2 累乘算法

在等待按键按下时，如果检测到有低电平，则紧接着连续读取按键信号N次。如果处于刚按下时的抖动态，这N次读取可能发生在毛刺的底部（低电平），也可能发生在毛刺的顶部（高电平），当N不是太小时，能够保证其中至少会有一次发生在毛刺的顶部。如果对这N次按键值是否为0进行累计逻辑乘操作，那么结果为假。如果是处于稳定的按下态，这N次读取都为低电平，则对这N次按键值是否为0进行累计逻辑乘操作，结果为真。

在等待按键松开时，如果检测到有高电平，紧接着连续读取按键信号N次。如果处于刚松开时的抖动态，这N次读取可能发生在毛刺的顶部（高电平），也可能发生在毛刺的底部（低电平），当N不是太小时，能够保证其中至少会有一次发生在毛刺的底部。如果对这N次按键值是否为1进行累计逻辑乘操作，则结果为假。如果是处于稳定松开态，这N次读取都为高电平，对这N次按键值是否为1进行累计逻辑乘操作，结果为真。

至此可以给出一个算法，在N次循环中，将按键值与期望值进行比较，将它们是否与期望值相等的逻辑结果用逻辑乘运算作累计，根据累计值来判别按键状态，鉴于累计、逻辑乘这两个关键要素，将此算法命名为累乘算法，描述如下：

算法分析：从循环条件可以看出，对于抖动态，是不会将循环执行到底的，在第一次没有读到期望值时，就否定了循环条件。对于稳定态，一直读到的都是期望值，退出循环的原因是计数次数已到。退出循环后的累计值Andup若为假，即为抖动态，若为真，即为稳定态。

2.3 累乘消抖方法

基于累乘算法识别按键状态，建立的按键消抖程序如下：

程序分析：静态布尔变量Pressed记录按键的状态，假表示松开，真表示按下。当按键处于稳定按下态时，返回真，其他状态返回假。通过一个不超过COUNT次的循环检测来判别抖动态和稳定态，尚未达到COUNT次但因为Andup为假而退出循环的是抖动态；达到了COUNT次而退出循环的是稳定态，此时Andup为真。

循环次数COUNT的设置很重要，COUNT值太小，可能导致判断不准确；取值太大，则会浪费。浪费只会发生在稳定态，在抖动态是不存在浪费的，因为一旦没有读到期望值就导致Andup值为假，从而否定了循环条件。只有在稳定态，直到COUNT次才退出循环，总共循环COUNT次。COUNT次循环相对于延时消抖里的几十ms来说，可以说是完全释放了CPU，大大提高了系统的实时性。另外，该方法不涉及指令周期和定时器等底层硬件，所以完全具备可移植性。

3 实验与分析

本文以Tiva C LaunchPad为实验平台验证累乘消抖方法的可行性和实时性。在将算法实例化之前，首先要考虑的就是COUNT的取值问题，因为COUNT的取值决定了算法的可行性和实时性。

3.1 COUNT取值方法

COUNT取值太小的话，不能保证在次数很少的循环累乘中一定能读到抖动态的某次逆跳变，所谓逆跳变指前沿抖动态的跳回1，以及后沿抖动态的跳回0。可能出现这样的情况，前沿抖动时恰巧每次读取都发生在0处，后沿抖动时恰巧每次读取都发生在1处。这样就导致把抖动态误认为稳定态，从而使算法失去了可行性。COUNT取值太大的话，又会在稳定态的循环累乘中浪费大量CPU时间，从而使算法损失了实时性。

实验中，依次取COUNT值为20、10、2。同时，为了记录每次循环累乘的执行情况，在循环累乘的一开始添加一条语句，将循环计数器n通过串行口输出到上位机的串口终端程序，这样便可以清楚地看到每次循环累乘都执行了几次。不到COUNT次的是抖动态，到了COUNT次的是稳定态。特别要注意每次抖动态的循环次数，目的是了解大概几次就可以读到逆跳变。这为尽量缩小COUNT提供了依据，缩小COUNT就等于提高实时性。

当COUNT=20时，按键灵敏，证明可行，其中随机一次按键，串口记录的执行情况见表2。

表2 COUNT=20时串口记录的执行情况

第1次循环累乘，循环体执行了2次，在第2次时读到了逆跳变，说明是抖动。第2次循环累乘，循环体执行了3次，在第3次时读到了逆跳变，说明是抖动。第3次循环累乘，循环体执行了20次，一直没有读到逆跳变，说明是稳定态。第4次循环累乘，循环体执行了2次，在第2次时读到了逆跳变，说明是抖动。第5次循环累乘，循环体执行了3次，在第3次时读到了逆跳变，说明是抖动。第6次循环累乘，循环体执行了2次，在第2次时读到了逆跳变，说明是抖动。第7次循环累乘，循环体执行了20次，一直没有读到逆跳变，说明是稳定态。对于本次按键，抖动态的循环累乘次数为2～3次。

当COUNT=10时，按键灵敏，证明可行。其中随机一次按键，串口记录情况见表3。

对于本次按键，抖动态的循环累乘次数也为2～3次。

当COUNT=2时，按键不灵，说明不可行。因为两次循环不足以保证在抖动态期间一定有一次能读到逆跳变，以至于将抖动态误认为稳定态，从而导致一次按键被误认为多次。

表3 COUNT=10时串口记录的执行情况表

多做几次实验之后发现，每次抖动态的循环累乘最多需要三次就可以读到逆跳变，所以COUNT值要大于3，为了留有一定冗余，取COUNT值为10即可。限于篇幅不能把每次实验结果都罗列出来。

3.2 评估

累乘消抖程序总是在执行几次循环后就交出执行权，最多的循环次数也就是COUNT次，相比较延时消抖中的百万次循环（将ns级的指令周期累加到ms级，需要执行百万次循环）来说大大提高了实时性。另外，累乘消抖程序并不涉及指令周期和定时器等底层硬件具有可移植性。

结 语

使用累乘消抖方法建立的消抖程序在识别出按键的状态后立刻返回，交出CPU使用权。区别是不同的返回代码反映了不同的按键状态，如果是抖动态则不予处理，如果是稳定态则给予相应处理。如果把按键消抖比作家长吩咐正在看电视的小孩看着烧水的水壶，抖动态好比水正在烧，稳定态好比水已烧开。那么，延时消抖就好比一个笨小孩，离开了电视机，一直盯着水壶，直到水开。

累乘消抖则好比一个聪明的小孩，没有停止看电视，只是定期地看一眼水壶的状态，如果水没开，继续看电视，如果水开了就告知家长。通过这个比喻可以形象地看到累乘消抖具有很强的实时性。另外，累乘消抖不涉及指令周期和定时器等底层硬件，所以又具备可移植性。虽然为了达到最理想的实时性，要通过实验确定当前系统最适合的COUNT值，但如果要求不是过于严苛，直接选用COUNT为100即可。

［1］卜登立.基于优先级编码器的非编码矩阵键盘接口设计［J］.化工自动化及仪表，2010，37（4）：93-95.

［2］张迎伟.基于嵌入式系统的机械设备点检仪研制［D］.西安：西安科技大学，2011.

［3］曾立志.基于嵌入式系统的按键接口设计技术研究［J］.软件，2013，34（7）：63-64.

［4］陈良琳，肖春发.基于Atmel QTouch的ATmega48感应按键设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2011，11（5）：37-39.

［5］袁鑫.以MCU为核心的嵌入式系统通用硬件平台设计［D］.天津：南开大学，2011.

［6］杨茂林.基于移动BREW3.1.5平台的嵌入式应用的开发与研究［D］.北京：北京邮电大学，2010.

［7］孙强，张振华，曹跃龙.使用UML和C语言实现基于对象的嵌入式软件开发［J］.计算机测量与控制，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.

胡传志（硕士研究生），主要研究方向为嵌入式系统和计算机系统结构。

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

��杨迪娜

2015-01-26）

南通市应用研究项目（BK2012068）；南通大学自然科学基金（13Z002）。