基于有限狀態(tài)機(jī)的按鍵檢測程序設(shè)計(jì)

龔利英

（惠州經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東惠州，516057）

0 引言

鍵盤是單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)中常見且非常重要的人機(jī)接口。從編碼的功能上，鍵盤可以分成全編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種。全編碼鍵盤是由硬件完成鍵盤識別功能的，它通過識別鍵是否按下以及所按下鍵的位置，由全編碼電路產(chǎn)生一個唯一對應(yīng)的編碼信息(如ASCII碼)。非編碼鍵盤是由軟件完成鍵盤識別功能，它利用簡單的硬件和一套專用鍵盤編碼程序來識別按鍵的位置，然后由CPU將位置碼通過查表程序轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的編碼信息。在單片機(jī)系統(tǒng)中，用的最多的是非編碼鍵盤，其電路結(jié)構(gòu)根據(jù)按鍵硬件連接方式可分為獨(dú)立式按鍵、矩陣式按鍵和ADC按鍵等。在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于要考慮成本等因素，系統(tǒng)中的按鍵電路通常按鍵數(shù)目較少，需要軟件程序的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)對按鍵復(fù)雜功能需求，使用軟件來檢測按鍵的一般思路是根據(jù)輸入端口的狀態(tài)及電平的持續(xù)時間，做出判斷從而做出正確的動作。因此軟件程序是非常的重要的，如果程序編寫不合理就會出現(xiàn)按鍵失靈或誤操作等情況。按鍵按下，按鍵抬起，按鍵持續(xù)按住一定時間等狀態(tài)是一種有限狀態(tài)的集合，本文針對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中按鍵結(jié)構(gòu)形式的多樣性，利用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)一種高兼容性的按鍵檢測系統(tǒng)，以此降低按鍵程序設(shè)計(jì)難度，減少工程人員在產(chǎn)品開發(fā)中的工作量。

1 有限狀態(tài)機(jī)

圖1 有限狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換示意圖

有限狀態(tài)機(jī)是指在外界條件的作用下，在有限個狀態(tài)之間進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移的數(shù)學(xué)模型，如圖1所示，其中Q表示有限狀態(tài)，e表示觸發(fā)條件。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)邏輯功能，有限狀態(tài)機(jī)有Moore型和Mealy型兩種類型。Moore型有限狀態(tài)機(jī)某時刻的輸出，只取決于該時刻的輸入，與前一個狀態(tài)沒有關(guān)系，可將該類型狀態(tài)機(jī)看作組合邏輯電路；Mealy型有限狀態(tài)機(jī)該時刻的輸出不僅取決于該時刻的輸入，還與前一個狀態(tài)有關(guān)，該種狀態(tài)機(jī)可視為時序邏輯電路。

2 按鍵狀態(tài)分析

■2.1 按鍵的檢測事件

CPU通過檢測按鍵的狀態(tài)接收用戶發(fā)出的指令，并做出相應(yīng)的動作。這個過程通常由軟件實(shí)現(xiàn)，一般情況下按鍵檢測事件可分為：按鍵按下、按鍵按下后松開、按鍵短按住、按鍵短按住后松開、按鍵短按住后重復(fù)、按鍵長按住、按鍵長按住后松開、按鍵長按住后重復(fù)，其中事件觸發(fā)時間可自行定義。

■2.2 按鍵時間與狀態(tài)轉(zhuǎn)換分析

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，一般按鍵數(shù)目較少，可以通過對按鍵時間的長短對事件進(jìn)行劃分，即在指定時間范圍為一個事件。因此程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)按鍵時間與事件狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。

按鍵檢測程序每個系統(tǒng)節(jié)拍執(zhí)行一次。按鍵檢測步驟如下：

(1) 在沒有檢測到按鍵按下時，設(shè)定按鍵狀態(tài)為NONE和前次按鍵值為NOKEY；

(2) 在檢測到有按鍵按下并且按下的按鍵與前一次檢測到的按鍵值不一樣時，更新前次按鍵值為新的鍵值，初始化兩個按鍵計(jì)數(shù)器keyCntr和keyCntrLong的值為0；

(3) 在檢測到有按鍵按下并且按下的按鍵與前一次檢測到的按鍵值一樣時，兩個按鍵計(jì)數(shù)器keyCntr和keyCntrLong的值自增1：

若當(dāng)前按鍵狀態(tài)是NONE，在keyCntr計(jì)數(shù)值超過按鍵消抖時間 KEY_TIME_PRESS后，觸發(fā)按鍵按下PRESS事件，按鍵狀態(tài)更新為PRESS；

若當(dāng)前按鍵狀態(tài)是PRESS，在keyCntr計(jì)數(shù)值超過按鍵短按住時間；KEY_TIME_SHORT_HOLD后，觸發(fā)按鍵短按住SHORT_HOLD事件，按鍵狀態(tài)更新為SHORT_HOLD，同時keyCntr減去一個按鍵短按住后重復(fù)時間KEY_TIME_SHORT_HOLD_REPEAT；

圖2 按鍵狀態(tài)分析

若當(dāng)前按鍵狀態(tài)是SHORT_HOLD_REPEAT，在keyCntr計(jì)數(shù)值超過按鍵短按住時間KEY_TIME_SHORT_HOLD后，再次觸發(fā)SHORT_HOLD_REPEAT事件，同時keyCntr減去一個按鍵短按住后重復(fù)時間KEY_TIME_SHORT_HOLD_REPEAT；此時如果keyCntrLong計(jì)數(shù)值也超過按鍵長按住時間KEY_TIME_LONG_HOLD，則觸發(fā)LONG_HOLD事件，按鍵狀態(tài)更新為LONG_HOLD，同時keyCntrLong減去一個按鍵長按住后重復(fù)時間KEY_TIME_LONG_HOLD_REPEAT；

若當(dāng)前按鍵狀態(tài)是LONG_HOLD，在keyCntrLong計(jì)數(shù)值超過按鍵長按住時間KEY_TIME_LONG_HOLD后，觸發(fā)LONG_HOLD_REPEAT事件，按鍵狀態(tài)更新為LONG_HOLD_REPEAT，同時keyCntrLong減去一個按鍵長按住后重復(fù)時間KEY_TIME_LONG_HOLD_REPEAT；

若當(dāng)前按鍵狀態(tài)是LONG_HOLD_REPEAT，在keyCntrLong計(jì)數(shù)值超過按鍵長按住時間KEY_TIME_LONG_HOLD后，再次觸發(fā)LONG_HOLD_REPEAT事件，同時keyCntrLong減去一個按鍵長按住后重復(fù)時間KEY_TIME_LONG_HOLD_REPEAT；

（4）在檢測到按鍵松開時：

若當(dāng)前按鍵狀態(tài)是PRESS，觸發(fā)PRESS_RELEASE事件；

若當(dāng)前按鍵狀態(tài)是SHORT_HOLD或SHORT_HOLD_REPEAT，觸發(fā)SHORT_HOLD_RELEASE事件；

若當(dāng)前按鍵狀態(tài)是LONG_HOLD或LONG_HOLD_REPEAT，觸發(fā)LONG_HOLD_RELEASE事件；

并且將按鍵狀態(tài)更新為NONE，前次按鍵值為NOKEY。

3 按鍵的程序設(shè)計(jì)

■3.1 基于有限狀態(tài)機(jī)按鍵檢測程序流程

程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是識別當(dāng)前的狀態(tài)及觸發(fā)的外部條件，進(jìn)行下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,程序流程如圖3所示。該程序思路適合獨(dú)立式按鍵、矩陣式按鍵和ADC按鍵等多種結(jié)構(gòu)形式的按鍵電路，在檢測端口狀態(tài)時，若是獨(dú)立式按鍵就直接讀取端口；若是矩陣式按鍵則需要設(shè)置相應(yīng)端口輸出輸入狀態(tài)后再讀取端口，注意防止損壞端口的可能性；若是ADC按鍵則要切換相應(yīng)ADC通道后再讀取端口，同時要保證通道切換的正確性，且需要多次讀取平均值，如果是組合按鍵的成員必須在不同的ADC端口上。

圖3 按鍵檢測流程

■3.2 按鍵事件的散轉(zhuǎn)處理

按鍵狀態(tài)的識別及狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，最終目的是讓對應(yīng)的事件得到響應(yīng)，程序設(shè)計(jì)上通過將按鍵值、按鍵狀態(tài)和按鍵事件一一進(jìn)行匹配，使用一個二維數(shù)組將三者一一對應(yīng)起來。按鍵值索引keyIndex，按鍵狀態(tài)索引keyStateIndex，按鍵事件表KeyEventTable。

KeyEventTable [keyIndex][ keyStateIndex]=

{

// keyIndex=0

{KEY0_NONE, KEY0_PRESS, KEY0_PRESS_RELEASE, KEY0_SHORT_HOLD, KEY0_SHORT_HOLD_RELEASE, KEY0_SHORT_HOLD_REPEAT, KEY0_LONG_HOLD, KEY0_LONG_HOLD_RELEASE, KEY0_LONG_HOLD_REPEAT},

// keyIndex=1

{KEY1_NONE, KEY1_PRESS, KEY1_PRESS_RELEASE, KEY1_SHORT_HOLD, KEY1_SHORT_HOLD_RELEASE, KEY1_SHORT_HOLD_REPEAT, KEY1_LONG_HOLD, KEY1_LONG_HOLD_RELEASE, KEY1_LONG_HOLD_REPEAT},

……

};

4 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種高兼容性的按鍵檢測程序。程序的思路是預(yù)先將所有按鍵可能產(chǎn)生的按鍵動作編上編號，并用二維數(shù)組將編號和對應(yīng)的執(zhí)行函數(shù)聯(lián)系到一起，然后在程序運(yùn)行時，根據(jù)當(dāng)前檢測到的按鍵值和按鍵狀態(tài)值，查找到對應(yīng)的按鍵事件執(zhí)行函數(shù)并執(zhí)行之。

此程序設(shè)計(jì)具有較高的兼容性和實(shí)用性，可應(yīng)用于單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)中的獨(dú)立式按鍵、鍵盤按鍵、ADC按鍵。在使用此程序進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意如下幾個問題：

（1）需要占用一部分ROM空間來存放按鍵事件表；

（2）各個按鍵值、按鍵狀態(tài)和按鍵事件表的排序需要一一對應(yīng)，如果對應(yīng)出錯，則相應(yīng)的按鍵功能必然出錯；

（3）按鍵事件沒有超出255個時，按鍵事件表的大小就等于按鍵事件數(shù)目，字節(jié)如果超出了255個，則按鍵事件表的大小將需要占用按鍵事件數(shù)＊2字節(jié)的ROM空間，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該對按鍵事件數(shù)目加以限制。