劉海成

(黑龍江工程學院 電子工程系,哈爾濱150050)

劉海成(講師),主要研究方向為信號處理技術與嵌入式系統(tǒng)應用。

引 言

鍵盤是智能化測控系統(tǒng)主要的信息輸入方式,是實現人機對話的重要途徑,因此如何有效地控制鍵盤并為系統(tǒng)服務是每個設計者需要切實考慮的問題。

嵌入式系統(tǒng)鍵盤軟件設計存在3方面問題:軟件去抖動、等待按鍵抬起和連擊處理。

1 嵌入式系統(tǒng)鍵盤軟件設計的3個問題

1.1 軟件去抖動問題

圖1 按鍵過程時序波形

一次完整按鍵過程的時序波形如圖1所示。當按鍵未被按下時,單片機端口輸入為通過上拉電阻獲得的高電平;按下時,端口接至地,端口輸入為低電平。當機械觸點斷開、閉合時會有抖動,這種抖動對人來說是感覺不到的,但對計算機來說,則是完全可以感應到的。計算機處理的速度是μ s級,而機械抖動的時間至少是ms級,對計算機而言,這已是漫長的時間了。

為使單片機能正確地讀出端口的狀態(tài),對每一次按鍵只作一次響應,這就必須考慮如何去除抖動的問題。嵌入式系統(tǒng)一般采用軟件延時去除抖動。軟件延時去除抖動其實很簡單,就是在單片機獲得端口有按鍵動作時,不是立即認定按鍵開關已被按下,而是延時10 ms或更長一段時間后再次檢測端口,如果仍為動作電平,則說明按鍵開關的確按下了,這實際上是避開了按鍵按下時的抖動時間;而在檢測到按鍵釋放后(端口為高)再延時5～10 ms,消除后沿的抖動,然后再對鍵值處理。當然,實際應用中對按鍵的要求也是千差萬別,要根據不同的需要來編制處理程序,但以上是軟件延時去除抖動的基本原則。

1.2 等待按鍵抬起問題

單片機在查詢讀取按鍵時,不斷地掃描鍵盤,掃描到有鍵按下后,進行鍵值處理。它并不等待鍵盤釋放再退出鍵盤程序,而是直接退出鍵盤程序,返回主程序繼續(xù)工作。計算機系統(tǒng)執(zhí)行速度快,很快又一次執(zhí)行到鍵盤程序,并再次檢測到鍵還處于按下的狀態(tài),單片機還會去執(zhí)行鍵值處理程序。這樣周而復始,按一次按鍵系統(tǒng)會執(zhí)行相應處理程序很多次。而程序員的意圖一般是只執(zhí)行一次,這就是等待按鍵抬起問題。通常的解決辦法是,當按鍵抬起后再次按下才再次執(zhí)行相應的處理程序,等待時間一般在幾百ms以上。通常在軟件編程中,當執(zhí)行完相應處理程序后,要加一個非常大的延時函數,再向下執(zhí)行。

對于軟件去抖動問題和等待按鍵抬起問題,若采用軟件延時,會大大削弱系統(tǒng)的實時性;若采用中斷方式延時,會占用定時器,耗費了系統(tǒng)資源,且軟件的多任務編程會增大軟件設計的復雜度。

1.3 連擊處理問題

工業(yè)控制設備中有這樣一種鍵盤方案設計要求:如果長時間按下同一個按鍵,表征有重復執(zhí)行該鍵對應處理程序的需求。比如使用“+”和“-”二鍵控制顯示數值,要求按一次“+”鍵使顯示值加1,要求按一次“-”鍵使顯示值減1。如果按“+”鍵超過一定時間(如2 s),則顯示值將很快地增加,即連擊處理,減號鍵也是如此。這樣就可以用很少的鍵完成多位數的輸入工作。

針對這3個問題,本文給出一個解決方案。該軟件方案實現計數器自然去抖動和等待按鍵抬起功能,而非采取延時等待的方法,同時實現了連擊處理。

2 智能鍵盤的軟件設計

為了解決智能鍵盤在應用中的一些技術問題,下面分析各種擊鍵類型的軟件處理方法。

2.1 短擊和長擊區(qū)分的軟件設計

圖2為短擊/長擊的示意圖。

圖2 短擊/長擊示意圖

軟件流程如下:

①定義1個變量,KEY_Counter=按鍵閉合計數器。

②定義1個常數,c_keyover_time=按鍵長擊時間常數。

③定時檢測按鍵,當按鍵閉合時,KEY_Counter按一定的頻率遞增。

④當KEY_Counter≥c_keyover_time時,確認一次有效長擊。

⑤當按鍵釋放時,再判斷一次KEY_Counter,如果KEY_Counter＜c_keyover_time,則說明剛才釋放的那次擊鍵為“短擊”。需要指出的是,當一個按鍵上同時支持短擊和長擊時,二者的執(zhí)行時機是不同的:

◆一般來說,長擊一旦被檢測到就立即執(zhí)行;

◆當按鍵剛被按下時,系統(tǒng)無法預知本次擊鍵的時間長度,所以短擊必須在釋放后再執(zhí)行。

⑥當按鍵釋放后,KEY_Counter應當被清零。

2.2 單擊和連擊的軟件識別

一般來說,連擊和單擊是相伴隨的。事實上,連擊的本質就是多次單擊。軟件流程如下:

①定義1個變量,KEY_Counter=按鍵響應延時時間寄存器。

②定義2個常數:

◆c_wobble_time=按鍵初按(消抖)延時(用來確定消抖時間,一般取4～20 ms);

◆c_keyover_time=按鍵連按延時(用來確定連擊的響應頻率。比如,如果要每秒執(zhí)行10次連擊,則這個參數=100 ms)。

③按鍵未閉合前,先令KEY_Counter=0。

④當按鍵閉合時,KEY_Counter以一定的頻率加1。抖動期間,若檢測到按鍵抬起,令KEY_Counter=0。當KEY_Counter=c_wobble_time時,抖動時間已經過去,即可先執(zhí)行一次按鍵功能,此為首次單擊。之后,若按鍵一直處于閉合狀態(tài),則進入下一進程。

⑤KEY_Counter超過c_wobble_time,且按鍵一直閉合時,KEY_Counter仍以一定的頻率加1。當KEY_Counter=c_keyover_time時,KEY_Counter=0,形成一次長擊。

⑥當再次出現KEY_Counter=c_wobble_time時,即可再執(zhí)行一次按鍵功能,此為連擊。

⑦如果按鍵一直閉合,就重復執(zhí)行⑤～⑦三個步驟,直到按鍵釋放。

單擊/連擊示意圖如圖3所示。

圖3 單擊/連擊示意圖

本文以AVR單片機為例給出設計軟件。例程中4個按鍵分別連接到PD口的低4位(若按鈕更多,甚至是矩陣鍵盤也很好仿寫)。WINAVR20071221例程如下(假定連接按鍵的I/O口已經成功地初始化):

工程應用中隨著主函數死循環(huán)中程序量的不同,需要調整3個參數。不過,該程序利用系統(tǒng)的嘀嗒定時中斷定時讀取,只需調整好一組參數。

上面的例程中要深入理解static的作用,即靜態(tài)變量會被分配一個內存固定、每次操作的值不會丟失、卻又被函數私有處理的類似全局變量的變量。

結 語

本文針對實時應用的嵌入式系統(tǒng)中智能鍵盤軟件設計的軟件去抖動問題、等待按鍵抬起問題和連擊處理問題,給出基于查詢結構的軟件解決方案。該方案不但能夠滿足系統(tǒng)的實時性要求,而且軟件直接調用,大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度。

[1]劉海成.AVR單片機原理及測控工程應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008:59-66.

[2]何道剛,等.智能化鍵盤的設計及其在便攜式產品中的應用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2002(1).