[分享] 单片机键盘扫描之状态机实现

一、概述 在编写单片机程序的过程中，键盘作为一种人机接口的实现方式，是很常用的。 而一般的实现方法大概有： 1、外接键盘扫描芯片（例如8279，7279等等），然后由该芯片来完成去抖、键值读取、中断请求等功能。然后单片机响应中断并读取键值，有的时候也可以采用轮训的方式。 2、如果按键数比较少，那么可以直接将按键接到单片机的IO口，然后各按键取逻辑或再送到单片机的中断管脚（对于51体系），单片机响应中断后再去读取IO口的数据。如果单片机的中断向量比较多（例如AVR系列的单片机，每个IO都可以作为中断），那么也可以直接把各个按键接到各个具有中断功能的IO上面。在中断处理程序中往往需要执行这样一个操作序列：延时一定时间来去抖，如果按键有效那么等待按键释放。 这两种方法都有比较明显的缺陷： 第一种方法需要专门的外围芯片，增加成本，且一般不容易检测按键的按下、释放以及长按键等一些事件。 第二种方法同样不容易检测按键的按下、释放以及长按键等一些事件。且采用软件延时的方式，浪费CPU资源，很不可取。 二、扫描式方法 鉴于以上两种方法的缺点，我们可以采用扫描式的方法来判断按键事件。 扫描方法即CPU在一定的节奏下去扫描按键数据线上的信号，然后分析并确定按键事件。扫描节奏一般为20MS 三、状态机 在软件工程中，有这样一个概念，即状态机。 状态机是一个抽象的概念，即把一个过程抽象为若干个状态之间的切换，这些状态之间存在着一定的联系。 举个例子：在操作系统中有一个关于进程调度的经典论述。 即把进程的调度过程抽象为运行、就绪、挂起以及睡眠等状态之间的切换。 各个状态之间在满足一定条件下才能进行切换。 在状态机程序的编写中有两点需要注意： 1、过程的抽象。 2、切换的条件以及如何切换。 四、按键过程的状态机分析 众所周知，一个键按下之后的波形是这样的（假定低有效）： 在有键按下后，数据线上的信号出现一段时间的抖动，然后为低，然后当按键释放时，信号抖动一段时间后变高。当然，在数据线为低或者为高的过程中，都有可能出现一些很窄的干扰信号。 1、状态抽象 因此，我们对这个过程抽象为这么几个阶段： （1）、空闲状态，即数据线信号为高，这里假定为S1状态 （2）、确认真的有键按下的状态，这里假定为S2状态。 （3）、键按下的状态，这里假定为S3状态。 （4）、确认真的有键释放的状态，这里假定为S4状态。 2、状态切换 在S1状态，如果信号线为高，那么继续保持S1状态，如果信号线为低，那么切换到S2状态。 在S2状态，如果信号线为高，那么切换到S1状态，如果信号线为低，那么切换到S3状态，此时表示有了键按下的消息事件，把此事件存入消息队列（如果系统不需要此消息，那么为了简单起见，此时可以不存入这个键按下事件）。 在S3状态，如果信号线为高，那么切换到S4状态，如果信号线为低,那么保持S3状态，并对信号为低这一状态进行计数。 在S4状态，如果信号线为高，那么切换到S1状态，此时表示有了键释放的消息事件，把此消息存入消息队列（如果系统不需要此消息，那么为了简单起见，此时可以不存入这个键按下事件），同时还需要对信号为低这一状态的计数进行判断，如果大于一定的阈值，那么表示之前是一个长按键消息事件，小于此阈值，则表示之前为一个短按键消息事件。如果信号线为低，则切换到S3状态。 五、程序实现 本程序采用C++语言来编写，在AVR系列之ATMEGA64单片机上测试过。采用的开发环境是：WinAVR。 若要移植本程序，请注意： 1、makefile文件要支持C++，我自己在网上随便找了一个，还没有弄明白怎么更好地配置，比如在配置printf的浮点形式格式化的问题上，我就没有弄明白，如果谁有关于这个的更好的资料，麻烦共享一下。 2、用户还需要写一个20MS定时器中断程序，在中断服务程序中去调用TaskKeyScan函数。应用范例见本文第六部分。 /************************************************************ FileName: type.h Author:原野之狼 Version :V1.0 Date: 2008.1.2 Description: History: <author> <time> <version > <desc> ************************************************************/ #ifndef _TYPE_H_ #define _TYPE_H_ //type define #define UINT8 unsigned char #define INT8 char #define UINT16 unsigned int #define INT16 signed int #define UINT32 unsigned long #define INT32 signed long #define FLP32 float #endif /************************************************************ FileName: includes.h Author:原野之狼 Version :V1.0 Date: 2008.1.2 Description: History: <author> <time> <version > <desc> ************************************************************/ #ifndef _INCLUDES_H_ #define _INCLUDES_H_ //system header files #include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdarg.h> #include <avr/io.h> #include <avr/signal.h> #include <avr/interrupt.h> #include <avr/wdt.h> //user header files #include "type.h" #include "queue.h" #include "key.h" #define SYSTEM_FREQUENCY_HZ 8000000 #endif /************************************************************ FileName: queue.h Author:原野之狼 Version :V1.0 Date: 2008.1.2 Description: History: <author> <time> <version > <desc> ************************************************************/ #ifndef _QUEUE_H_ #define _QUEUE_H_ #include "type.h" class CQueue { private: INT8 *pBuf; UINT16 BufLen; INT8 *pHead; INT8 *pTail; UINT16 count; public: UINT8 IsQueueEmpty(void); void QueueInit(INT8 *pBuffer,UINT16 len); UINT8 AddInQueue(INT8 dat); UINT8 RequestFrQueue(INT8 *pDat); }; #endif /************************************************************ FileName: queue.cpp Author:原野之狼 Version :V1.0 Date: 2008.1.2 Description: management of queue History: <author> <time> <version > <desc> ************************************************************/ #include "includes.h" UINT8 CQueue::IsQueueEmpty(void) { return 1; } void CQueue::QueueInit(INT8 *pBuffer,UINT16 len) { pBuf=pBuffer; pHead=pBuf; pTail=pBuf; count=0; BufLen=len; } UINT8 CQueue::AddInQueue(INT8 dat) { if(count<BufLen) { (*pTail++)=dat; count++; if(pTail==(pBuf+BufLen)) { pTail=pBuf; } return 1; } else { return 0; } } UINT8 CQueue::RequestFrQueue(INT8 *pDat) { if(count) { *pDat=(*pHead++); if(pHead==(pBuf+BufLen)) pHead=pBuf; count--; return 1; } else { return 0; } } /************************************************************ FileName: key.h Author:原野之狼 Version :V1.0 Date: 2008.1.2 Description: History: <author> <time> <version > <desc> ************************************************************/ #ifndef _KEY_H_ #define _KEY_H_ #include "type.h" #define GET_KEY1_SIGNAL PINE&(0X01<<0X02) #define GET_KEY2_SIGNAL PINE&(0X01<<0X03) #define MSG_DOWN 0X01 #define MSG_UP 0X02 #define MSG_SHORT_CLICK 0X03 #define MSG_LONG_CLICK 0X04 class CSingleKeyManager { private: #define KEY_STATE_IDLE 0X01 #define KEY_STATE_IS_DOWN 0X02 #define KEY_STATE_DOWN 0X03 #define KEY_STATE_IS_UP 0X04 UINT8 m_state; UINT8 m_DownCount; #define MAX_MSG_LENGTH 0X10 INT8 m_MsgBuf[MAX_MSG_LENGTH]; CQueue m_MessageQueue; public: CSingleKeyManager(); void StateChange(UINT8 LineHighLow); UINT8 GetMsg(void); }; #endif /************************************************************ FileName: key.cpp Author:原野之狼 Version :V1.0 Date: 2008.1.2 Description: key managerment 1.scan mode 2.short clicked 3.long clicked 4.more info refer to file:key.jpeg History: <author> <time> <version > <desc> 原野之狼 2008.1.10 按键低计数 ************************************************************/ #include "includes.h" CSingleKeyManager::CSingleKeyManager() { m_state=KEY_STATE_IDLE; m_DownCount=0; m_MessageQueue.QueueInit(m_MsgBuf,MAX_MSG_LENGTH); } void CSingleKeyManager::StateChange(UINT8 LineHighLow) { switch(m_state) { case KEY_STATE_IDLE: { if(LineHighLow) { asm("nop"); // WriteLog("1H\n"); } else { m_state=KEY_STATE_IS_DOWN; // WriteLog("1L\n"); } } break; case KEY_STATE_IS_DOWN: { if(LineHighLow) { m_state=KEY_STATE_IDLE; // WriteLog("2H\n"); } else { m_state=KEY_STATE_DOWN; // WriteLog("2L\n"); if(!m_MessageQueue.AddInQueue(MSG_DOWN)) { asm("nop");//error // WriteLog("KEY QUEUE ERROR\n"); } } } break; case KEY_STATE_DOWN: { if(LineHighLow) { m_state=KEY_STATE_IS_UP; // WriteLog("3H\n"); } else { m_DownCount++; if(m_DownCount==255) m_DownCount=254;//255; // WriteLog("3L\n"); } } break; case KEY_STATE_IS_UP: { if(LineHighLow) { // WriteLog("4H\n"); m_state=KEY_STATE_IDLE; m_MessageQueue.AddInQueue(MSG_UP); if(m_DownCount>(2000/SYSTEM_RHYTHM_MS)) { // WriteLog("LONG\n"); m_MessageQueue.AddInQueue(MSG_LONG_CLICK); m_DownCount=0; } else { // WriteLog("SHORT\n"); m_MessageQueue.AddInQueue(MSG_SHORT_CLICK); m_DownCount=0; } } else { // WriteLog("4L\n"); m_state=KEY_STATE_DOWN; } } break; default: asm("nop"); } } UINT8 CSingleKeyManager::GetMsg(void) { INT8 msg; if(m_MessageQueue.RequestFrQueue(&msg)) { return msg; } else { return 0x00; } } 六、应用范例 /************************************************************ FileName: main.cpp Author:原野之狼 Version :V1.0 Date: 2008.1.2 Description: History: <author> <time> <version > <desc> ************************************************************/ #include “includes.h” CSingleKeyManager key1 //call this function every 20ms Void TaskKeyScan(void) { key1.StateChange(GET_KEY1_SIGNAL); } UINT8 main(void) { while(1) { switch(key1.GetMsg()) { //add your message handler here } } }