2024-07-22碼農

嵌入式面試題之：如何用軟體處理硬體管腳抖動

硬體管腳抖動（debouncing）是嵌入式系統設計中常見的問題，尤其在處理機械開關和按鍵時尤為重要。抖動現象是由於機械開關在開關狀態切換時會產生多次高頻雜訊訊號，這些不穩定的訊號會對系統的可靠性和準確性產生影響。在這篇文章中，我將詳細講解如何用軟體處理硬體管腳抖動，涵蓋基礎知識、套用場景、最佳實踐以及可能的面試題目和答案。

什麽是硬體管腳抖動？

硬體管腳抖動是指在機械開關切換過程中，由於接觸不良或物理彈性等原因，產生的一種短暫的高頻雜訊訊號。這種訊號會導致系統錯誤地檢測到多次開關事件，從而引發誤操作。

抖動範例

考慮一個簡單的機械按鍵，當按鍵被按下或釋放時，開關狀態並不是瞬間變化的，而是會在短時間內反復切換。下圖顯示了一個典型的開關抖動現象：

穩定高電平 ——> 抖動低電平 ——> 穩定低電平

軟體消抖的基本原理

軟體消抖是透過編寫程式程式碼來過濾掉抖動訊號，使系統僅對穩定的開關狀態作出響應。軟體消抖的方法有多種，常見的有時間延遲法、計數法和狀態機法等。

時間延遲法

時間延遲法是最簡單的一種軟體消抖方法。其原理是當檢測到按鍵狀態變化時，延遲一段時間再讀取按鍵狀態，從而過濾掉短暫的抖動訊號。

#define DEBOUNCE_DELAY 50 // 延遲時間，單位：毫秒boolread_button_state(){staticbool last_state = false;bool current_state = digitalRead(BUTTON_PIN);if (current_state != last_state) { delay(DEBOUNCE_DELAY); current_state = digitalRead(BUTTON_PIN); } last_state = current_state;return current_state;}

計數法

計數法透過連續多次讀取按鍵狀態，並計數穩定狀態的次數，當穩定狀態計數達到一定次數時，認為按鍵狀態發生了變化。

#define DEBOUNCE_THRESHOLD 5 // 穩定狀態計數閾值boolread_button_state(){staticbool last_state = false;staticint debounce_counter = 0;bool current_state = digitalRead(BUTTON_PIN);if (current_state == last_state) { debounce_counter++; } else { debounce_counter = 0; }if (debounce_counter >= DEBOUNCE_THRESHOLD) { last_state = current_state; }return last_state;}

狀態機法

狀態機法利用狀態機的思想，透過定義按鍵的不同狀態（如按下、釋放、抖動等），根據輸入訊號和當前狀態決定下一個狀態，從而實作消抖。

typedefenum { BUTTON_RELEASED, BUTTON_PRESSED, BUTTON_DEBOUNCE} ButtonState;#define DEBOUNCE_DELAY 50 // 延遲時間，單位：毫秒boolread_button_state(){static ButtonState state = BUTTON_RELEASED;staticunsignedlong last_debounce_time = 0;bool current_state = digitalRead(BUTTON_PIN);switch (state) {case BUTTON_RELEASED:if (current_state == HIGH) { state = BUTTON_DEBOUNCE; last_debounce_time = millis(); }break;case BUTTON_DEBOUNCE:if ((millis() - last_debounce_time) > DEBOUNCE_DELAY) {if (current_state == HIGH) { state = BUTTON_PRESSED; } else { state = BUTTON_RELEASED; } }break;case BUTTON_PRESSED:if (current_state == LOW) { state = BUTTON_DEBOUNCE; last_debounce_time = millis(); }break; }return (state == BUTTON_PRESSED);}

套用場景

軟體消抖廣泛套用於各種嵌入式系統中，尤其在以下場景中尤為重要：

1. 機械按鍵 ：如電視遙控器、家電控制台等。
2. 機械開關 ：如電燈開關、門鈴開關等。
3. 傳感器輸入 ：如接觸傳感器、限位開關等。

最佳實踐

在實際套用中，為了實作高效可靠的軟體消抖，以下是一些最佳實踐：

1. 選擇合適的消抖方法 ：根據具體套用場景選擇適合的消抖方法，如時間延遲法適用於響應速度要求不高的場景，而狀態機法適用於復雜的狀態管理。
2. 合理設定消抖參數 ：消抖延遲時間或計數閾值應根據實際情況進行偵錯，既要保證消抖效果，又不能影響系統響應速度。
3. 多重驗證 ：在關鍵套用中，可以結合硬體消抖和軟體消抖，雙重保障系統的可靠性。

常見面試問題及答案

問題 1：什麽是硬體管腳抖動？如何用軟體處理？

回答：硬體管腳抖動是指在機械開關切換過程中，由於接觸不良或物理彈性等原因，產生的一種短暫的高頻雜訊訊號。這種訊號會導致系統錯誤地檢測到多次開關事件，從而引發誤操作。軟體處理抖動的方法有多種，常見的有時間延遲法、計數法和狀態機法等。時間延遲法透過延遲一段時間再讀取按鍵狀態來過濾抖動訊號；計數法透過連續多次讀取按鍵狀態，並計數穩定狀態的次數；狀態機法利用狀態機的思想，透過定義按鍵的不同狀態，根據輸入訊號和當前狀態決定下一個狀態。