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单片机键盘扫描之状态机实现(更正了一BUG)

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楼主
原野之狼|  楼主 | 2008-1-3 23:47 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
注:key.cpp有更改

                      单片机键盘扫描之状态机实现
                   作者:原野之狼 日期 2008.1.3 23:37


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 ");
            }
            else
            {
                m_state=KEY_STATE_IS_DOWN;
//                WriteLog("1L ");
            }
        }
            break;
        case KEY_STATE_IS_DOWN:
        {
            if(LineHighLow)
            {
                m_state=KEY_STATE_IDLE;
//                WriteLog("2H ");
            }
            else
            {
                m_state=KEY_STATE_DOWN;
//                WriteLog("2L ");
                if(!m_MessageQueue.AddInQueue(MSG_DOWN))
                {
                    asm("nop");//error
//                    WriteLog("KEY QUEUE ERROR ");
                }
            }
        }
            break;
        case KEY_STATE_DOWN:
        {
            if(LineHighLow)
            {
                m_state=KEY_STATE_IS_UP;
//                WriteLog("3H ");
            }
            else
            {
                m_DownCount++;
                if(m_DownCount==255)
                    m_DownCount=254;//255;
//                WriteLog("3L ");
            }
        }
            break;
        case KEY_STATE_IS_UP:
        {
            if(LineHighLow)
            {
//                WriteLog("4H ");
                m_state=KEY_STATE_IDLE;
                m_MessageQueue.AddInQueue(MSG_UP);
                if(m_DownCount>(2000/SYSTEM_RHYTHM_MS))
                {
//                    WriteLog("LONG ");
                    m_MessageQueue.AddInQueue(MSG_LONG_CLICK);
                    m_DownCount=0;
                }
                else
                {
//                    WriteLog("SHORT ");
                    m_MessageQueue.AddInQueue(MSG_SHORT_CLICK);
                    m_DownCount=0;
                }
            }
            else
            {
//                WriteLog("4L ");
                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
}
}
}


附:PDF版本
https://bbs.21ic.com/upfiles/img/20081/2008110152239528.pdf

相关帖子

来自 2楼
ocon| | 2008-1-9 01:12 | 只看该作者

昨天帮朋友写的一段按键去抖的状态机版,呵呵

功能:按键去抖;
描述:按钮按下时RES1返回1,如果持续按下的时间超过delay_key_on,则置按键状态status_res1为1,不超过则保持status_res1原值;
同样,按钮释放时RES1返回0,如果持续释放的时间超过delay_key_off,则置按键状态status_res1为0,不超过则保持status_res1原值;

step_res1:当前处理状态,按下/释放;
add_res1:用于累计状态持续时间
======================
    switch (step_res1){//处理输入信号
        case 0:
            if(RES1){//如果按钮被按下
                add_res1++;
                if(add_res1>delay_key_on){//如果持续按下的时间足够
                    status_res1=1;//置当前状态为闭合
                    add_res1=0;//清计数器
                    step_res1=1;//进入第二步
                }
            }
            else{
                add_res1=0;//如果按钮被释放,则重新累计
            }
            break;
        case 1:
            if(!RES1){//如果按钮被释放
                add_res1++;
                if(add_res1>delay_key_off){//如果持续释放的时间足够
                    status_res1=0;//置当前状态为释放
                    add_res1=0;//清计数器
                    step_res1=0;//回到第一步
                }
            }
            else{
                add_res1=0;//如果按钮仍然闭合,则重新累计
            }
            break;
        default:
            add_res1=0;//若为其他状态,则初始化
            step_res1=0;
            break;
    }

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来自 3楼
橡希| | 2008-1-16 16:10 | 只看该作者

我也来说说我得经验

前些天作了个项目,里面也有按键部分,不过这个按键是PC得按键,键按下向system发make code(通码) 键释放向system 发break code(断码 ),这样打开一个记事本,按下键你就能看到响应得键码对应得字符了。(其实就是PS2 AT键盘,呵呵)

另外,这个键处理还有一个特点,就是单击键,键响应时间短(10ms);连击键,第一次相应时间短(10ms),后面得响应时间稍长(400ms或者500ms)。视觉上得效果就是,当你打击一个字母a时,记事本上立刻会出现a,当你连击a时,第一个a很快出来,之后得a就会以较慢得速率打印出来。

我先参考了别人得一个代码,总结了一套方法:

定义10ms或者20ms扫描

1,首先定义3个key map:

unsigned char newkeymap[]={};
unsigned char oldkeymap[]={};
unsigned char changkeymap[]={};
这3个map得大小可根据键盘数量而定,每位对应一个键,例如16个键,那就可以定义成:

unsigned char  newkeymap[2]={0xff,0xff};
unsigned char  oldkeymap[2]={0xff,0xff};
unsigned char  changkeymap[2]={0xff,0xff};
初值可以都设置位键释放时得状态值。
2,每次扫描求去这3张map得值


step1:  newkeymap 值为读到得键状态
step2:  changkeymap为 newkeymap 与oldkeymap得异或值
step1:  oldkeymap为newkeymap 得copy.

3,根据changkeymap 和newkeymap 判断哪个键按下或者释放了。并对按下得键码作标志,释放得键码清标志,从而控制键连击得操作。(这一步内容比较多)

就大体先介绍这些,希望对大家有用。



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地板
hotpower| | 2008-1-3 23:52 | 只看该作者

沙发~~~最近状态机是热门~~~

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5
原野之狼|  楼主 | 2008-1-3 23:54 | 只看该作者

谢谢大叔顶帖支持~~~

大叔要注意身体哦~~~

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6
hotpower| | 2008-1-4 00:04 | 只看该作者

状态机应用确实很广且能使问题简化~~~不顶不行呀~~~

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7
农民讲习所| | 2008-1-4 07:54 | 只看该作者

最好的是俺写的KEY扫描代码

和KEY的IO扫描无关,封装为通用库,每个KEY都是独立的(互不影响),单独的KEY转义模块支持各种按键动作(长、短、快速),支持消息。

俺几乎以完美的心情看待它,呵呵,天下独一无二。

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8
ayb_ice| | 2008-1-4 08:20 | 只看该作者

最好的是PC的键盘

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9
LPcfANS| | 2008-1-4 08:34 | 只看该作者

顶...

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10
yewuyi| | 2008-1-4 08:51 | 只看该作者

~~,躺椅舒服中……

热门啊热门……

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11
sz_kd| | 2008-1-4 09:26 | 只看该作者

农民也很享受自己的成果啊

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12
ayb_ice| | 2008-1-4 09:44 | 只看该作者

我的键盘

一般有短按(松开有效),长键(时间到有效),长按连调(一个,两个,或四个键有效,仅在需要时有效),不支持多键组合(没有必要),我觉得这样就能满足大部分的要求了,程序一直用扫描方法,移植时只要改变IO定义和扫描时间定义即可...

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13
huangqi412| | 2008-1-4 10:09 | 只看该作者

标记

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14
zuidaeji| | 2008-1-4 10:20 | 只看该作者

个人认为在S4状态时,如果信号线为低,则切换到S2状态

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15
89cpu| | 2008-1-4 10:38 | 只看该作者

一定是葵花宝典!

农民讲习所 发表于 2008-1-4 07:54 侃单片机 ←返回版面    

5楼: 最好的是俺写的KEY扫描代码 

和KEY的IO扫描无关,封装为通用库,每个KEY都是独立的(互不影响),单独的KEY转义模块支持各种按键动作(长、短、快速),支持消息。

俺几乎以完美的心情看待它,呵呵,天下独一无二。 
*-*******************************************
欲练神功,挥剑自宫! 
哈哈! 能给大家开开眼么? 
谢谢! 谁想练可要斟酌好先!

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16
lelee007| | 2008-1-4 10:40 | 只看该作者

哈哈

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17
农民讲习所| | 2008-1-4 10:42 | 只看该作者

LS几个傻呼呼的

俺的培训教材里面就有,教材在哪里你就自己找吧

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18
zuidaeji| | 2008-1-4 11:11 | 只看该作者

https://bbs.21ic.com/club/bbs/list.asp?boardid=11&t=2172303

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19
LastNew| | 2008-1-4 12:46 | 只看该作者

搞起

顶起

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20
原野之狼|  楼主 | 2008-1-4 13:30 | 只看该作者

回复:zuidaeji

在S4状态,如果信号线为低,那么认为刚才是因为来了一个干扰信号使其短暂为高,不是因为有按键释放的操作,此时应该继续保持S3状态。

不知道我说得对不对?

可以继续讨论。。。

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21
ldyeah| | 2008-1-4 16:51 | 只看该作者

不错

学习了

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22
keer_zu| | 2008-1-4 17:00 | 只看该作者

哈哈

阿狼,不错啊!

应该给条裤子!

哈哈

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