唐 飛， 查長禮

（安慶師范學院 物理與電氣工程學院，安徽 安慶 246133）

0 引 言

按鍵是用戶與嵌入式系統(tǒng)進行交互的常用設備，因其簡單實用、成本低，因而得到了廣泛應用。嵌入式系統(tǒng)因體積所限，一般使用非編碼按鍵，依靠程序識別按鍵的動作和按鍵編碼。按鍵控制程序應能夠管理按鍵按下、按鍵防抖、鍵值判別、按鍵彈起等任務，并識別單擊、雙擊、長按、連發(fā)等按鍵模式。

當今的嵌入式系統(tǒng)體積越來越小，需要實現(xiàn)一鍵多“能”，因此，識別按鍵的單擊、雙擊、長按的功能也越來越受到重視。

1 按鍵的識別策略

嵌入式系統(tǒng)工作時，用戶使用按鍵的時間對于系統(tǒng)而言是隨機的，因此，系統(tǒng)需要采用一定的策略對按鍵進行掃描，以識別按鍵的動作。常用按鍵掃描方法有以下幾種[1]。

1.1 程序延時掃描法

利用CPU的空閑時間不斷對按鍵進行掃描，直到檢測到按鍵動作，轉去處理按鍵為止。此種方法簡單易行，程序容易編寫，但CPU效率低，CPU繁忙時，按鍵不能得到及時響應，實時性差。

1.2 外部中斷掃描法

按鍵按下時觸發(fā)中斷，CPU暫停當前執(zhí)行程序，轉向處理按鍵，處理完畢再返回主程序運行。此種方法CPU的利用率高，但占用了中斷系統(tǒng)資源，中斷系統(tǒng)發(fā)生沖突時不能及時響應按鍵動作。

1.3 定時器掃描法

借鑒了操作系統(tǒng)中時間片的思想，使用定時器每隔一定時間對包括按鍵在內的各個任務進行掃描，如按鍵動作，則處理按鍵，否則執(zhí)行下一項任務。該方法CPU利用率高，各個任務劃分時間片輪流執(zhí)行，不會因為某個任務占用CPU時間過長造成其它任務沒有響應。

綜上所述，定時器掃描法在處理多任務時具有較大的優(yōu)勢，因此在嵌入式系統(tǒng)中應優(yōu)先使用，同時，該方法還需要配合有限狀態(tài)機才能達到理想的效果。

2 基于狀態(tài)機的按鍵掃描方法

2.1 狀態(tài)機概述

有限狀態(tài)機（Finite－State Machine，F(xiàn)SM）或有限狀態(tài)自動機簡稱狀態(tài)機，是表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉移和動作等行為的數(shù)學模型[2]。有限狀態(tài)機的思想廣泛應用于硬件控制電路設計，也是軟件上常用的一種處理方法。它把復雜的控制邏輯分解成有限個穩(wěn)定狀態(tài)，在每個狀態(tài)上判斷事件，變連續(xù)處理為離散數(shù)字處理，符合計算機的工作特點。同時，有限狀態(tài)機具有有限個狀態(tài)，所以可以在實際的工程上實現(xiàn)。

有限狀態(tài)機可歸納為4個要素，即現(xiàn)態(tài)、條件、動作、次態(tài)?，F(xiàn)態(tài)和條件是事件起因，動作和次態(tài)是最后的結果。當條件被滿足時將會觸發(fā)做動作，動作執(zhí)行完畢后，可以遷移到新的狀態(tài)（次態(tài)），也可以保持原狀態(tài)。

依據(jù)有限狀態(tài)機的狀態(tài)轉移關系和轉移條件，可以把一個非常復雜的事件變成一個依據(jù)狀態(tài)編碼內容進行轉移的多分支的結構，很容易用C語言來實現(xiàn)。因此，把有限狀態(tài)機作為一種方法導入程序設計中，實現(xiàn)程序對流程和行為的準確分析和表達，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時間，增強了系統(tǒng)的可靠性[3－7]。

2.2 按鍵模式和狀態(tài)分析

在嵌入式系統(tǒng)中，按鍵識別的任務是確定按鍵的鍵值和按鍵動作模式。鍵值可由程序判別并分配，常用的按鍵模式分為單鍵模式和復鍵模式兩類。單鍵模式一次按鍵只輸出一個有效按鍵，而復鍵模式一次按鍵可以輸出多個有效按鍵，通常通過按鍵按下時間的長短來區(qū)別。單鍵類一般有3種模式：琴鍵模式、單發(fā)模式和乒乓模式；復鍵類一般有長按模式、連發(fā)模式和組合鍵模式[8]。具體區(qū)別見表1。

表1 按鍵模式分類

在STM32系統(tǒng)中，單發(fā)模式、長按模式和連發(fā)模式較為常用，單發(fā)模式組合還可形成雙擊動作。進一步分析每一次的按鍵動作，也可以看作一個狀態(tài)機，每次的擊鍵動作使按鍵形成了彈起、抖動、短按、長按和釋放等狀態(tài)。當按鍵按下之后觸發(fā)動作，動作執(zhí)行完畢之后按鍵遷移到新的狀態(tài)，直至最終確定按鍵的模式。按鍵的狀態(tài)遷移如圖1所示[9]。

圖1 按鍵狀態(tài)轉換圖

2.3 按鍵識別系統(tǒng)的程序設計

嵌入式系統(tǒng)中，基于Cortex－M3架構的32位ARM處理器發(fā)展迅速，STM32微控制器是意法半導體（ST Microelectronics）公司推出的基于Cortex－M3內核的系列微處理器，具有高性能、低成本、低功耗的特點，得到了廣泛應用。因此，研究基于STM32的按鍵驅動程序具有十分積極的意義[10]。

GPIO（General Purpose Input Output）是STM32的輸入、輸出設備，STM32提供了80個雙向GPIO口，分布在A～E這5個端口中。文中設按鍵接于GPIOA.0口，通過讀取GPIOA.0口的狀態(tài)即可檢測出按鍵的狀態(tài)。STM32的按鍵接口如圖2所示。

圖2 STM32的按鍵接口

根據(jù)上文分析，程序采用定時掃描法定時對按鍵進行掃描。綜合考慮按鍵的響應速度和其它任務需求，確定按鍵掃描時間為10ms。因此，需要使用STM32中的SysTick Timer進行定時，配置相應的時鐘，產(chǎn)生中斷標志位，控制主程序每隔10ms掃描一次按鍵。

STM32通過GPIO口掃描按鍵主要有以下幾個步驟：

1）開啟所用端口的時鐘；

2）配置GPIOA.0口為上拉輸入模式；

3）配置SysTick時鐘，使之每10ms產(chǎn)生一個標志，控制對按鍵的掃描；

4）調用按鍵掃描函數(shù)掃描按鍵。

按鍵的每次擊鍵動作可分為4個狀態(tài)，按鍵的動作模式分為3種，分別見表2和表3。

表2 按鍵狀態(tài)表

表3 按鍵模式表

主程序調用函數(shù)KeyScan（）掃描按鍵，若按鍵動作，則判明按鍵狀態(tài)，在動作的觸發(fā)下完成按鍵狀態(tài)的遷移，返回按鍵動作模式的類型。具體描述如下：

1）按鍵初始為彈起狀態(tài)，標記為狀態(tài)0。每隔10ms主程序調用函數(shù)掃描按鍵，若GPIOA.0電平為1，則按鍵未按下，按鍵狀態(tài)保持在狀態(tài)0；若GPIOA.0電平為0，則按鍵按下，按鍵狀態(tài)遷移至防抖狀態(tài)。

2）按鍵進入防抖狀態(tài)，標記為狀態(tài)1。每隔10ms主程序再次掃描按鍵，若GPIOA.0電平為1，則上次得到的按鍵按下信息是由于抖動或外界干擾造成的誤判，按鍵狀態(tài)返回狀態(tài)0；若GPIOA.0電平為0，表明按鍵確實按下，按鍵狀態(tài)遷移至短按狀態(tài)。

3）按鍵進入短按狀態(tài)，標記為狀態(tài)2，同時啟動計數(shù)變量對按鍵按下的時間開始計數(shù)。每隔10ms主程序掃描一次按鍵，若GPIOA.0電平為1，則按鍵已經(jīng)彈起，按鍵狀態(tài)返回狀態(tài)0，同時返回按鍵動作模式為單擊S；若GPIOA.0電平為0，表明按鍵持續(xù)按下，按鍵狀態(tài)保持在短按狀態(tài)，同時計數(shù)變量開始加1計數(shù)，若計時時間（計數(shù)值乘以10ms）大于1s而按鍵狀態(tài)仍維持在狀態(tài)2，表明按鍵動作模式為長按，按鍵狀態(tài)轉移至長按狀態(tài)。

4）按鍵進入長按狀態(tài)，標記為狀態(tài)3。每隔10ms主程序掃描一次按鍵，若GPIOA.0電平為1，則按鍵已經(jīng)彈起，按鍵狀態(tài)返回狀態(tài)0，此次長按狀態(tài)結束，返回按鍵動作模式為長按L；若GPIOA.0電平為0，表明該長按狀態(tài)持續(xù)，按鍵保持在長按狀態(tài)3。

按鍵掃描的函數(shù)如下所示，返回按鍵模式類型。其中，變量Key存儲讀取的按鍵引腳電平，變量KeyState表示按鍵的狀態(tài)，變量KeyPress－Time記錄按鍵按下時的計數(shù)數(shù)值，計數(shù)值乘以10ms即為按鍵按下的時間，變量KeyPressStyle表示按鍵模式的類型。因變量KeyState和Key－PressTime在函數(shù)每次調用時需要保存上一次調用時的數(shù)值，因此將其設置為靜態(tài)變量。

＃define N 0＃define S 1＃define L 2＃define C 3＃define KEY＿ON 0

unsigned char KeyScan（）

｛

static unsigned char KeyState＝0，KeyPress－Time＝0；／／按鍵狀態(tài)，按鍵按下時間

unsigned char Key，KeyPressStyle；／／按鍵動作模式

KeyPressStyle＝N；／／按鍵動作模式初始化為未正常按

Key＝GPIO＿ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO＿Pin＿0）＝＝KEY＿ON／／檢測按鍵電平

switch（KeyState）

｛

case 0：／／彈起狀態(tài)

if（！Key）KeyState＝1；／／按鍵按下則轉移至狀態(tài)1 else KeyState＝0；／／按鍵彈起返回至狀態(tài)0

break；

case 1：／／防抖狀態(tài)

if（！Key）｛KeyState＝2；KeyPress－Time＝0；｝／／按鍵按下則轉移至狀態(tài)2，計時變量清零

else KeyState＝0；

break；

case 2：／／短按狀態(tài)

if（Key）｛KeyState＝0；KeyPressStyle＝S；｝／／按鍵彈起返回狀態(tài)0，按鍵動作模式為單擊

else／／按鍵保持按下

｛

KeyPressTime＋＋；／／計數(shù)變量加1

if（KeyPressTime＞50）KeyState＝3；／／按鍵按下時間大于1秒，狀態(tài)轉移至狀態(tài)3

｝

break；

case 3：／／長按狀態(tài)

if（Key）KeyState＝0；／／按鍵彈起返回狀態(tài)0，按鍵動作模式為長按

else KeyPressStyle＝L；／／按鍵動作模式為長按

break；

｝

return KeyPressStyle；／／返回按鍵動作模式

｝

該函數(shù)由定時器控制，每隔10ms執(zhí)行一次，每次執(zhí)行時讀取GPIOA.0口的電平，存儲在變量Key中，然后進入由switch語句構成的狀態(tài)機中，根據(jù)按鍵狀態(tài)變量KeyState和Key的數(shù)值，確定輸出的按鍵動作類型KeyPressStyle和下一個狀態(tài)KeyState，返回給主調函數(shù)使用，返回值為0，表明按鍵無動作，返回值為1，表明按鍵單擊動作，返回值為2，表明按鍵長按動作。主程序中調用該函數(shù)，編寫程序即可實現(xiàn)按鍵的單擊、長按、連發(fā)、雙擊等功能，極大地擴展了單個按鍵的作用。

3 結 語

介紹了有限狀態(tài)機的原理和在嵌入式系統(tǒng)上進行程序設計的方法，并在此基礎上研究了基于定時器的按鍵掃描識別方法。將有限狀態(tài)機的思想引入按鍵識別的程序設計中，把按鍵過程劃分為多個狀態(tài)，以用戶的按鍵動作驅動在按鍵各個狀態(tài)之間的遷移，在STM32平臺上實現(xiàn)了對單個按鍵單擊、長按、連擊的判別，擴展了單個按鍵的應用。整個過程高效簡潔，降低了系統(tǒng)的復雜性，提升了系統(tǒng)的可靠性，是一種適合工程實際應用的方案。

[1]章樂多，蘭琴麗.嵌入式設備的按鍵設計優(yōu)化研究[J].廣西輕工業(yè)，2011（7）：77－78.

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