嵌入式开发中机械按键去抖问题
01
说明
我们在嵌入式开发过程中，按键是必不可少的东西。但是如何使用好按键，这也是一个非常难的事情。对于一个嵌入式工程师来说，想要做好用户体验，按键的响应是非常的考验人的。这里涉及到按键的抖动相关知识，关于如何去抖问题，将会在这篇文章中进行深度分析。
一般的机械式按键的构造是两个金属片和一个复位弹簧，按键按下时，两个金属片便被压在了一起。
如图所示，当按键向下按的时候，由于接触的面积和时间问题，并不是立即就会形成一个稳定的信号，大概的波形如下图所示：
随着抖动，那么我们可能会产生多个按键中断，那么我们该如何去处理这个问题呢？
02
硬件消抖
要解决抖动问题，我们可以通过对硬件进行一定的修改，设计一个RC积分电路进行消抖。
由于RC积分电路有延时处理的问题，所以我们可以利用这个特性进行抖动消除。但是，这个方法在实际产品中真的稳定吗？从原理上来说，我们通过调节RC电路延迟，电阻越大，延迟越大。同时也过滤掉了前期可能会引起中断的杂波，但是电路设计必须非常合理，同时也需要软件的配合。所以硬件消抖只能从一定程度上解决问题，并不能根本上解决问题。
03
软件去抖
中断消抖
单片机中，一般消抖处理可以通过这样的方式进行，第一次产生中断后，然后在中断函数中去读取按键的电平，如果判决确实是按键按下时的电平，然后再过10ms再读一次电平。如果两次读到的值都是一样的，那么认为该电平是按键按下的。
这种方式，有一个问题，就是对于实时性要求比较高的场合，显然这就是一个问题了。中断处理函数中，做了过多的事情，这显然是一个不合理的设计方案。
设置状态标志消抖
在上面的设想中，如果用到了rtos，那么我们可以在中断中读引脚电平，并且设置一个状态标志位，将线程资源释放给其他资源，等10ms后再次切换到这个线程，去读取按键的状态，如果状态一致，则认为按键按下，这显然是比第一种直接在中断中去读状态好了许多。
但是，也会存在随机的可能性，比如我们在移动设备的过程中，并不是人为操作的按键，但是恰好两次10ms都读到了触发中断的电平，这是极有可能的，虽然可能性比较小，但是对于产品而已，我们不能抱有侥幸心理，要解决这个问题。
多点采样方案消抖
于是，我们提出了多次取点采样的方案进行设计。
我们知道，机械按键触发了中断，无论是否人为操作，我们都需要去读取电平状态，我们用一个字节表示电平的状态，每一位代表一个采样点，则我们可以抽象出如下的模型：
如果我们每10ms采样一次，将这个采样的信号用一个字节的数据表示。
那么我们每次采样都往这个字节的最低位补充，直到这个数据变成全0或者全1为止。
下面是一个误触造成的抖动过程的抽象模型
当进行采样的时候，黑色表示读到的是触发时的电平，白色表示未触发是的电平，当我们读到连续的都是白色的时候，则我们认为这次的采样是无效的。同理我们来看一下正常按下时的操作。
也是一个同理的过程，当我们读到0xFF是，则认为电平稳定有效，此时表按下状态。
从程序上表示如下：
//key_ptr 按键GPIO的引脚指针
//step_time采样间隔
//timeout 超时时间
KeyStatus key_val_get(volatile unsigned long *key_ptr, tu32 step_time, tu32 timeout)
{
static tu8 keybuf = 0xff;
KeyStatus keysta = key_Unstable;
rt_tick_t start_time = rt_tick_get(),cost_time;
while(1)
{
cost_time = rt_tick_get() - start_time;
if(cost_time < timeout)
{
rt_thread_delay(step_time);
keybuf = (( keybuf << 1 ) | (*key_ptr));//每次读取按键值
if ( 0x00 == keybuf )
{
keysta = key_Low;
break;
}
else if ( 0xff == keybuf)
{
keysta = key_High;
break;
}
else
{
//电平不稳定，继续采样
}
}
else
{
break;//采样超时
}
}
return keysta;//返回采样值
}
上述就是一个完整的滤波采样过程。
这种方式是在rt-thread系统上设计的，其好处是在检测按键的时候，我们并没有空等，而是采样rt_thread_delay将资源让出去，多次采样之后，判决是按键按下还是松开。因为如果是人为操作，往往这个过程是200ms左右。
04
总结
本文详细描述了一个机械按键如何去处理按键抖动的问题，在以后设计程序的时候，也需要充分的考虑产品的稳定性与合理性，一定需要提高用户体验。嵌入式工程师不仅仅是去解决一个又一个技术上的难题，也要有产品意识以及从用户角度去思考问题，这样做出的东西体验才会更好。