Como implementar o Debounce de hardware para switches e relés quando o Debounce de software não é apropriado

No contexto da engenharia elétrica e eletrônica, uma chave é um componente que pode “fazer” ou “interromper” um circuito elétrico, interrompendo assim uma corrente elétrica ou desviando-a de um condutor para outro. Como os engenheiros podem atestar, existem muitos tipos diferentes de interruptores, incluindo interruptores basculantes, interruptores basculantes, interruptores de botão, micro e interruptores de limite, interruptores magnéticos e reed e relés. Todos têm uma coisa em comum: saltam. É exatamente o que eles fazem.

Normalmente, esse ressalto tem pouco ou nenhum efeito no circuito, mas se o circuito digital for rápido o suficiente para detectar e responder a múltiplos ressaltos, pode haver consequências graves. A tarefa de um engenheiro é evitar ou mitigar os efeitos desse salto, ou “rebater” a chave. Embora a indústria pratique há muito tempo o debounce de hardware, mais recentemente ela mudou para abordagens de debounce baseadas em software. No entanto, existem situações em que o debounce de hardware é uma opção melhor.

Este artigo explica o bounce e discute abordagens de software e hardware para o debounce. Em seguida, aponta para casos em que o debounce de hardware é uma opção melhor antes de mostrar como ele pode ser implementado. Exemplos de dispositivos de comutação e componentes de debounce de hardware são apresentados por meio de exemplos de NKK Switches, ON Semiconductor, Texas Instruments, Maxim Integrated e LogiSwitch.

O que é o salto do interruptor?

Quando um interruptor ou relé é acionado ou alternado, o que um ser humano percebe como sendo uma resposta única e instantânea cada vez que o dispositivo muda de estado pode, na verdade, envolver 100 ou mais ações decisivas que persistem por vários milésimos de segundo antes do contato finalmente se instala no lugar.

Por exemplo, considere uma chave seletora de montagem em painel de pólo único, movimento único (SPST), normalmente aberta (NA), como uma M2011SS1W01 da NKK. Suponha que um lado desta chave, que pode ser considerada a entrada, esteja conectado ao terra (0 volts), enquanto o outro lado, que neste caso é a saída, esteja conectado a uma fonte de alimentação de 5 volts (mostrada como +ve ) através de um resistor pull-up (R1) (Figura 1).

Observe que o salto da chave pode ocorrer tanto quando a chave está ativada (fechada) quanto quando a chave está desativada (aberta). Às vezes, os saltos podem transitar por todo o caminho entre os trilhos de alimentação, aqui considerados estados lógicos 0 e 1. Neste caso, são saltos “limpos”. Em comparação, se o sinal atingir apenas uma tensão intermediária, estes serão chamados de saltos “sujos”.

No caso de uma chave seletora de montagem em painel de pólo único e duplo movimento (SPDT), como a M2012SS1W01-BC da NKK, o salto pode ocorrer nos terminais normalmente aberto (NA) e normalmente fechado (NC) (Figura 2). Neste caso, apenas saltos “limpos” foram mostrados para simplificar.

Em muitos casos, a duração do salto do sinal é tal que não tem efeito. Os problemas surgem quando um switch é conectado a um equipamento eletrônico que é rápido o suficiente para detectar e responder a múltiplos saltos. O que é necessário é uma maneira de neutralizar o sinal vindo do comutador antes que ele seja acionado peloequipamento eletrônico.

Debounce de software versus hardware

Nas décadas de 1960 e 1970, o switch debounce foi implementado usando uma variedade de técnicas de hardware, desde simples circuitos de atraso resistor-capacitor (RC) usados ​​com switches SPST até funções de trava de configuração/redefinição (SR) mais sofisticadas.

Mais recentemente, e porque muitos sistemas possuem uma unidade microprocessadora (MPU) ou unidade microcontroladora (MCU), tornou-se comum o uso de técnicas de software para debounce o sinal proveniente de qualquer switch. No entanto, a rejeição de software nem sempre é a melhor abordagem. Existem alguns aplicativos que envolvem processadores pequenos, de baixo desempenho e com restrição de memória, com espaço de código e/ou ciclos de clock limitados disponíveis para implementar rotinas de eliminação de ressaltos. Nestes casos, uma implementação de hardware pode ser uma solução melhor.

Além disso, muitos desenvolvedores de software não estão familiarizados com as características físicas dos switches, como o fato de que, além de variar de uma ativação para outra, as características de ressalto de um switch podem ser afetadas por condições ambientais como temperatura e umidade.