51單片機(jī)開發(fā)系列五_矩陣按鍵掃描

在嵌入式系統(tǒng)中，用的最多的輸入設(shè)備就是按鍵，用戶的應(yīng)用需求可通過相應(yīng)按鍵傳遞到系統(tǒng)軟件中，軟件轉(zhuǎn)而完成用戶請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互。筆者此處就矩陣按鍵的實(shí)現(xiàn)作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

按鍵是一種常開型按鈕開關(guān)，平時(shí)鍵的二個(gè)觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，按下鍵時(shí)它們才閉合。按鍵控制電路就是用來實(shí)時(shí)監(jiān)視按鍵，當(dāng)有鍵接下時(shí)，電路監(jiān)控中的輸入引腳電平發(fā)生變化，檢測(cè)到這種變化后，控制電路進(jìn)行按鍵掃描，定位按鍵的位置，并把相關(guān)的按鍵信息反饋回上一層應(yīng)用中。常見的按鍵輸入設(shè)計(jì)有獨(dú)立式按鍵，矩陣式按鍵。獨(dú)立式按鍵每個(gè)鍵占用一個(gè)IO口，電路配置靈活，軟件簡(jiǎn)單，但按鍵較多時(shí)，IO口浪費(fèi)大。矩陣式按鍵適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上。節(jié)省IO口。通常按鍵控制電路通過查詢方式或中斷方式去檢測(cè)按鍵的輸入，查詢方式需占用一定的cpu資源，查詢頻率太低可能造成按鍵輸入丟失，太高浪費(fèi)cpu資源，通常按鍵查詢頻率約50HZ較合適。中斷方式需占用cpu一路外部中斷，但不會(huì)占用cpu資源，只要有按鍵按下時(shí)，cpu即可馬上檢測(cè)到輸入，進(jìn)行掃描并得到按鍵值。

筆者此處采用4x4的矩陣按鍵設(shè)計(jì)，當(dāng)然，矩陣鍵盤可通過四個(gè)肖特基二極管構(gòu)成四輸入的與門(可參考筆者這篇文章<淺談小信號(hào)肖特基二極管在數(shù)字電路中的應(yīng)用>)，連接到單片機(jī)的外部中斷引腳，從而實(shí)現(xiàn)中斷方式檢測(cè)按鍵輸入。為兼容目前開發(fā)板常見的矩陣按鍵設(shè)計(jì)，筆者把4x4的矩陣按鍵接口接在P1口，通過查詢方式檢測(cè)按鍵輸入。

圖2-1 4x4矩陣按鍵

由于我們采用的是查詢方式按鍵設(shè)計(jì)，因此單片機(jī)需一定的頻率去掃描P1口的按鍵，通常這個(gè)頻率約50HZ較合適，為保證這個(gè)掃描頻率，通常是通過定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)標(biāo)周期性進(jìn)行執(zhí)行掃描。P1.4~P1.7列線通過上拉電阻接到VCC上，P1.0~P1.3行線產(chǎn)生相應(yīng)的掃描信號(hào)，無按鍵，列線處于高電平狀態(tài)，有鍵按下，列線電平狀態(tài)將由與此列線相連的行線電平?jīng)Q定。行線電平為低，則列線電平為低，行線電平為高，則列線電平為高。

按鍵掃描函數(shù)如下，該函數(shù)需周期執(zhí)行，以掃描按鍵的狀態(tài)。以51單片機(jī)為例，P1.0~P1.3逐行輸出掃描信號(hào)，在Key.h模塊頭文件實(shí)現(xiàn)接口宏KeyOutputSelect()

#define KeyOutputSelect(Select) {P1 = ~(1<<(Select));}

輸出掃描線后，需要讀取對(duì)應(yīng)掃描線的按鍵狀態(tài)(P1.4~P1.7)，同樣在Key.h模塊頭文件實(shí)現(xiàn)引腳狀態(tài)讀取接口宏KeyGetPinState()

#define KeyGetPinState() (P1>> 4)

讀取了對(duì)應(yīng)掃描線下的按鍵引腳狀態(tài)，就需判斷哪些引腳電平為0(按下)，對(duì)讀到的引腳狀態(tài)進(jìn)行取反轉(zhuǎn)換成對(duì)引腳狀態(tài)變量進(jìn)行搜1算法，得到鍵值的速度能達(dá)到最快，并且多個(gè)按鍵同時(shí)按下時(shí)也能夠正確得到優(yōu)先級(jí)最高的按鍵。按鍵有效按下會(huì)得到0~15的鍵值，無按鍵按下時(shí)得到鍵值16。

voidKeyScan()

{

unsigned char i;

unsigned char KeyValue;

unsigned char PinState;

if (KeyState.State == STATE_DISABLE) {

return; // 按鍵禁用時(shí),不對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描

}

// 鍵值為0~15,未按鍵鍵值為16,任意多的鍵按下均能

// 正確返回優(yōu)先級(jí)最高的鍵值

KeyValue = 0;

for (i=0; i<4; i++) {

KeyOutputSelect(i); // 輸出掃描線

// 得到對(duì)應(yīng)掃描線時(shí)的按鍵狀態(tài)

PinState = KeyGetPinState();

// 有鍵按下時(shí),PinState中有0的位置即為鍵值位置

PinState = ~PinState;

// 搜索Pinstate第一個(gè)為1的位

if (!(PinState & 0xf)) {

KeyValue += 4;

continue; // 該掃描線沒有按鍵按下,進(jìn)入下一掃描線

}

// 該掃描線有鍵按下,對(duì)半進(jìn)行檢索1的位置

if (!(PinState & 0x3)) {

KeyValue += 2; // 低2位(P1.4~P1.5)沒有按下

PinState >>= 2; // 移位檢索(P1.6~P1.7)

}

if (!(PinState & 0x1)){

KeyValue += 1;

}

break; // 有鍵按下,退出繼續(xù)掃描

}

KeyStore(KeyValue); // 保存按鍵狀態(tài)

}

得到了按鍵值后，我們需要對(duì)按鍵值進(jìn)行處理并根據(jù)按鍵狀態(tài)把可能產(chǎn)生的按鍵消息保存進(jìn)緩沖區(qū)中，以便用戶程序讀取處理。按鍵通常有按下、松手、長(zhǎng)按這幾個(gè)狀態(tài)，需要支持按下檢測(cè)、松手檢測(cè)、長(zhǎng)按、連擊的功能，并且需要對(duì)按鍵進(jìn)行去抖濾波。按鍵的狀態(tài)往往會(huì)在這幾種情況進(jìn)行切換，因此，對(duì)按鍵進(jìn)行狀態(tài)機(jī)編程是相當(dāng)清晰的思路。我們?cè)贙eyStore()函數(shù)中實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵狀態(tài)的轉(zhuǎn)移判斷，在模塊中我們通過按鍵狀態(tài)結(jié)構(gòu)變量KeyState來跟蹤記錄按鍵的狀態(tài)

typedef struct {

unsigned char State; // 按鍵的各個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移

unsigned int TimeCount; // 用來跟蹤各個(gè)狀態(tài)的計(jì)時(shí)

} KEY_STATE;

static KEY_STATE KeyState; // 按鍵狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移

檢測(cè)到相應(yīng)的按鍵事件后(KEY_UP、KEY_DOWN、KEY_LONG)，需產(chǎn)生相應(yīng)的按鍵消息保存進(jìn)按鍵緩存區(qū)，通常可以開辟一個(gè)按鍵隊(duì)列緩存，以便保存多個(gè)產(chǎn)生的按鍵消息，不會(huì)因用戶代碼未能及時(shí)處理按鍵而造成按鍵丟失，筆者此處為避免復(fù)雜，以一個(gè)按鍵緩沖為例，按鍵事件結(jié)構(gòu)變量KeyBuffer用來保存按鍵消息

typedef struct {

unsigned char Value;

unsigned char State;

} KEY_EVENT;

// 按鍵掃描得到的鍵值存放在KeyBuffer中,包含鍵值及鍵狀態(tài)

static volatile KEY_EVENT KeyBuffer;

按鍵消抖以及長(zhǎng)按均是需要以時(shí)間為判斷標(biāo)準(zhǔn)，我們?cè)谀K中定義消抖時(shí)間以及長(zhǎng)按時(shí)間判決以及相應(yīng)的狀態(tài)宏

// 按鍵的掃描周期為20ms

#define WOBBLE_COUNT 1 // 按鍵消抖計(jì)數(shù),1個(gè)按鍵掃描周期(20ms)

#define LONG_COUNT 100 // 長(zhǎng)按100個(gè)掃描周期判斷為長(zhǎng)按(2S)

#define STATE_INIT 0x0 // 按鍵初始化狀態(tài)

#define STATE_WOBBLE 0x1 // 按鍵消抖狀態(tài)

#define STATE_LONG 0x2 // 按鍵長(zhǎng)按檢測(cè)狀態(tài)

#define STATE_RELEASE 0x3 // 按鍵釋放狀態(tài)

#define STATE_DISABLE 0x4 // 按鍵禁用狀態(tài)

完整的KeyStore()函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下

static voidKeyStore(unsigned char Value)

{

static unsigned char LastValue;

switch (KeyState.State) {

case STATE_INIT: // 初始狀等待按鍵

if (Value < KEY_NULL) {

// 記錄下按下的鍵并進(jìn)入消抖狀態(tài)

LastValue = Value;

KeyState.TimeCount = WOBBLE_COUNT -1;

KeyState.State = STATE_WOBBLE;

}

break;

case STATE_WOBBLE:

if (KeyState.TimeCount) {

KeyState.TimeCount--; // 消抖計(jì)時(shí)未到

break;

}

// 消抖后再次判斷為同一鍵值則認(rèn)為鍵按下保存鍵值

// 并進(jìn)入到長(zhǎng)按檢測(cè)