對電平計時的矩陣鍵盤識別方法研究

劉 宸，黃世瑜

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

0 引 言

無論是獨立式按鍵還是矩陣式鍵盤，都需要使用按鍵。然而，機械式按鍵在按下和釋放時都存在一定時間的機械抖動，使得輸出電平不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致程序錯誤動作。為了消除抖動帶來的不良影響，通常使用軟件消抖[1]。鍵盤識別過程中，軟件消抖的處理方法是本文主要的闡述對象。在獲取鍵位置碼、譯碼以及按鍵功能的過程中，每個步驟都有多種處理方法。本文在實現(xiàn)鍵盤識別的步驟中，將逐步介紹它們的特點及對應(yīng)的應(yīng)用場合，以尋求最優(yōu)的算法。這里，本文的程序代碼采用C430語言編寫。

1 方案設(shè)計

1.1 獲取鍵位置碼

首先，需要識別是否按下按鍵。與獨立式按鍵一樣，依靠識別與按鍵相連引腳的電平高低。其次，需要識別矩陣鍵盤中哪一位按鍵被按下，即要識別按鍵的位置碼。矩陣鍵盤結(jié)構(gòu)如圖1所示。

要獲取鍵盤中某個按鍵的位置碼，有反轉(zhuǎn)法和掃描法兩種方式。其中，掃描法是用行線作為輸出，列線作為輸入（交換行和列線的輸入、輸出方向亦可），行線逐行輸出低電平‘0’。若某行有鍵按下，列線則定會有低電平‘0’輸入；如果沒有按鍵，則列線輸入值全部為高電平‘1’。如果有鍵按下，由列線和行線讀取的坐標(biāo)位置就能確定相應(yīng)位置的按鍵有被按下[2]。

本文采用反轉(zhuǎn)法，即列線和行線交替輸入和輸出，分兩步獲得鍵盤中的位置碼，并且在多個按鍵同時被按下時，也能準(zhǔn)確識別出組合鍵。

反轉(zhuǎn)法實例程序段：

P3DIR=0X0F;//高4位輸入，低4位輸出

P3OUT=0XF0;//行，低4位輸出0

y=P3IN;//得列碼，如0xe0

P3DIR=0XF0;//高4位輸出，低4位輸入

P3OUT=0X0F;//列，高4位輸出0

x=P3IN;//得行碼，如0x0d

x=x+y;//合成位置碼，如0xed

圖1 矩陣鍵盤結(jié)構(gòu)

1.2 譯碼

通過1.1的步驟獲得按鍵的行號和列號合成的位置碼，如0xed這樣的十六進(jìn)制數(shù)。但是，要轉(zhuǎn)換為有象征意義的鍵盤編號，還要進(jìn)行鍵盤譯碼。鍵盤的編號與鍵盤的位置碼沒有直接的運算關(guān)系，故采用查表法將位置碼轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的鍵號。

譯碼程序段如下：

const char keytab[]={0x11,0x21,0x41,0x81,0x12,0x22,0x 42,0x82,0x14,0x24,0x44,0x84,0x18,0x28,0x48,0x88};//位置碼常量數(shù)組

...//將合成的位置碼key，用查表法與位置碼數(shù)組進(jìn)行逐一比對。

for(i=0;i＜16;i++)

{if(key==keytab[i])

break;

}

由于鍵盤的邏輯布局按設(shè)計和功能要求不同，會導(dǎo)致每個按鍵的坐標(biāo)位置和鍵盤編號的對應(yīng)關(guān)系發(fā)生變化。如果每次都要重新尋找對應(yīng)關(guān)系來修改keytab[]數(shù)組，將會使程序不具有通用性，且浪費時間、效率低下。所以，可再通過一個翻譯數(shù)組，實現(xiàn)任意布局的鍵盤編號。

const char keynum[]=//翻譯數(shù)組，實現(xiàn)任意布局

{ 1,2,3,4,

5,6,7 ,8,

9,0,14 ,15,

10,11,12 ,13,16};

...//得到上一步驟的鍵號i（0～16）

return keynum[i];//返回值是將鍵號i通過翻譯數(shù)組翻譯后的值。

1.3 軟件消抖

1.3.1 傳統(tǒng)方法

這里不討論硬件消抖，只討論軟件消抖。經(jīng)典鍵盤消抖程序采用延時再檢測的流程，首先查詢鍵盤是否有鍵按下，若無鍵按下，則不執(zhí)行功能。當(dāng)有鍵按下時，調(diào)用延時函數(shù)或者調(diào)用其他函數(shù)，目的都是等待鍵盤電平抖動的時間過去后再次查詢。若此時仍然有鍵按下，說明確實有鍵可靠穩(wěn)定地按住，并去除了后沿抖動的可能[3]。然后，按照鍵盤上各按鍵的功能規(guī)劃執(zhí)行對應(yīng)的功能程序。最后，為了避免按住按鍵時的重復(fù)執(zhí)行功能，需要繼續(xù)循環(huán)檢測鍵盤，直到按鍵松開為止。

對應(yīng)的程序段如下：

display();//其他任務(wù)

key=inkey();//讀入鍵盤編碼

if(key＜16)//有按鍵

{display();//延時消抖，并顯示

if(key==inkey())//兩次讀入鍵盤編碼相同

{

key_action(key);//執(zhí)行按鍵功能

while(key==inkey()){display();}//按住時等待松手

}

}

這段程序能夠較好地實現(xiàn)鍵盤消抖。如果系統(tǒng)的任務(wù)相對單一，使用這段程序可以完成任務(wù)，但缺點是調(diào)用延時函數(shù)和等待松手循環(huán)查詢時，程序指針陷入有限循環(huán)中，無暇處理其他任務(wù)，如讀取傳感器數(shù)據(jù)、輸出控制執(zhí)行部件等。雖然采用中斷系統(tǒng)可以處理這些實時任務(wù)，由主程序調(diào)用鍵盤檢測的函數(shù)，但這樣會導(dǎo)致在主程序無限循環(huán)中一直有鍵盤檢測的任務(wù)，而系統(tǒng)則無法進(jìn)入低功耗模式。然而，在便攜式設(shè)備中不能進(jìn)入低功耗模式，將是無法想象的。當(dāng)然，可以把鍵盤檢測函數(shù)放在定時中斷服務(wù)函數(shù)，由于中斷源的優(yōu)先順序問題，也會導(dǎo)致程序指針停留在此而無法執(zhí)行其他函數(shù)。

1.3.2 對電平計時的矩陣鍵盤檢測方法

從以上分析看出，傳統(tǒng)算法中執(zhí)行矩陣鍵盤檢測與其他任務(wù)的運行存在矛盾，有諸多弊端，而本文提出的對電平計時的矩陣鍵盤檢測方法可以解決這些問題。程序要求每隔幾毫秒讀取一次矩陣鍵盤的值，可以放在主函數(shù)，最好放在定時中斷服務(wù)程序，目的是間隔抽樣檢測鍵盤輸入端口的電平。

程序流程圖如圖2所示，方法是間隔時間抽樣檢測，用一個計時值統(tǒng)計低電平保持的時間。首先讀取輸入端口數(shù)據(jù)，判斷是否按鍵。當(dāng)有按鍵時，計時值+1；否則，計時值清零。若連續(xù)多次都檢測到低電平，計時值會累加，表示已經(jīng)度過鍵盤的抖動時間，可以穩(wěn)定可靠地按住按鍵。識別為短按時，需要低電平穩(wěn)定10 ms以上。若間隔時間為2 ms，則計時值需要10/2=5次。當(dāng)計時值累加到5時，滿足短按識別條件，就可以執(zhí)行對應(yīng)按鍵的功能。如果是長按還可實現(xiàn)連擊的效果，則當(dāng)計時值累加到500時，即低電平已經(jīng)穩(wěn)定2 ms×500=1 s，可視為長按有效。此時，將計時值回?fù)艿?00，并執(zhí)行相應(yīng)功能。如果繼續(xù)長按，計時值又從400累加到500時，又一次滿足長按條件，但周期只有2 ms×（500-400）=0.2 s，即長按1 s后每隔0.2 s就視為連擊一次，可以實現(xiàn)電視遙控器上的連加連減效果。返回鍵值的時間點只有5(短按)和500（長按），太小的是按鍵抖動時期，其他次數(shù)都不滿足按鍵條件，返回按鍵無效的鍵值。整個檢測按鍵的程序里沒有延時等待，因此程序指針不會停留在這里，轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他任務(wù)。

圖2 對電平計時的矩陣鍵盤檢測方法

讀取按鍵值的程序段如下：

if(x!=0xFF)//x是合成的位置碼，若按下時x!=0xFF

{

cnt++;//統(tǒng)計低電平的時間

if(cnt==5)//連續(xù)檢測到5次低電平，表示抖動已經(jīng)過去，已進(jìn)入穩(wěn)定期5*2ms=10ms

{ key=x; }//20 ms時，給返回值，執(zhí)行功能

else if(cnt＞500)//按住不松手 500×2 ms=1 s以上，長按，就連續(xù)執(zhí)行功能

{ cnt=400; key=x;}//從400增加到500，共100次的時間0.2 s

else key=0xff;//其他次數(shù)時，按了鍵，但沒達(dá)到條件

}

else {cnt=0; key=0xff;}//沒按鍵，抬手時，時間計數(shù)cnt清0

1.4 按鍵功能

經(jīng)過上述步驟后，能讀取到穩(wěn)定可靠的鍵盤數(shù)據(jù)。按鍵的位置碼被翻譯數(shù)組翻譯后的鍵值是0～16。當(dāng)有按鍵時，鍵值是0～15；沒有按鍵或無效時，鍵值是16。按鍵的功能可根據(jù)鍵值分別對應(yīng)編寫。

void keyaction()

{ char key;

key=keyscan();//讀取鍵盤數(shù)據(jù)

if(key＜16)//有按鍵，則執(zhí)行功能

{ if(key＜10){n=key;}

switch(key)

{

case 10: if(n＜15)n++;break;

case 11: if(n＞0)n--;break;

case 12: if(n＜15)n+=2; break;

case 13: if(n＞0)n-=2; break;

}

P1OUT=table[n];//靜態(tài)顯示

}

}

此函數(shù)可放在主函數(shù)循環(huán)間隔調(diào)用，也可在定時中斷服務(wù)程序中定時調(diào)用。

while(1)

{ delay(2);//間隔2 ms讀取按鍵

keyaction();}//按鍵識別及執(zhí)行功能

2 測試結(jié)果

測試通過搭建真實硬件電路和Proteus仿真的實驗驗證。實驗結(jié)果證明，本文提出的間隔抽樣統(tǒng)計低電平時間的矩陣鍵盤識別方法，能有效消除抖動帶來的影響，還能使程序指針不停留地執(zhí)行其他任務(wù)。該方法沒有依靠延時等待，不浪費系統(tǒng)時間，實現(xiàn)了任意布局，并區(qū)分出了短按和長按，具有優(yōu)越性。

3 結(jié) 論

為解決矩陣鍵盤識別傳統(tǒng)方法中鍵盤檢測與多任務(wù)實時運行存在的諸多問題，本文提出了一種抽樣檢測對電平計時的矩陣鍵盤識別方法。在不靠延時的前提下，既能夠可靠地消除抖動，又能夠保證程序順暢地運行其他任務(wù)，并實現(xiàn)了鍵盤功能的任意布局，避免了鍵盤邏輯值的復(fù)雜計算和更改布局帶來的排序問題。同時，能嚴(yán)格區(qū)分短按和長按，稍作修改亦可識別雙擊。因此，這是一種通用性和效率更高的矩陣鍵盤識別方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉 宸.兩種基于電平計時的按鍵檢測方法[J].四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2017，27（4）：151-153.

[2] 鄭玉章，徐愛鈞.嵌入式開發(fā)過程中按鍵檢測算法的改進(jìn)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014，14（8）：73-75.

[3] 王海珍.按鍵檢測算法創(chuàng)新在嵌入式開發(fā)中的應(yīng)用[J].電子制作，2017（4）：98，100.