錢程 趙莎莎

摘 要：文章針對目前單片機矩陣鍵盤模塊的低實時性問題，設(shè)計了一種基于TTL去抖算法的單片機矩陣鍵盤算法。利用TTL去抖算法的間隔時間采樣機制以及雙循環(huán)掃描法的逐行逐列掃描機制，保證矩陣鍵盤模塊響應(yīng)按鍵的實時性以及識別按鍵的準確性。實驗結(jié)果表明，該矩陣鍵盤算法識別按鍵準，響應(yīng)時間低，能夠識別組合鍵，通用性強。

關(guān)鍵詞：矩陣鍵盤；實時性；去抖；TTL

在嵌入式系統(tǒng)中，矩陣鍵盤是最常見的輸入設(shè)備。然而，機械按鍵在按下和松開時，會產(chǎn)生機械抖動，干擾輸入信號。為了避免這種干擾，在掃描矩陣鍵盤的過程中必須進行去抖[1-3]。

一般的辦法是加入去抖延時[4-7]，這樣雖然能達到去抖的目的，但在延時等待的時候，CPU不能執(zhí)行其他操作，因此實時性不高。而本文設(shè)計的基于生存時間值（Time To Live，TTL）的去抖算法，可以很好地解決上述問題。

本文將雙循環(huán)掃描法和TTL去抖算法結(jié)合起來，以尋求最優(yōu)算法。

1 TTL去抖算法

1.1 TTL算法

原始的TTL算法，是用在IPv4數(shù)據(jù)包頭部的一個數(shù)據(jù)段，用于避免數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上被無限轉(zhuǎn)發(fā)[8-9]。

TTL的含義是生存時間值，數(shù)據(jù)包每經(jīng)過一個路由器，TTL的值就減1[10]。

如果TTL大于0，說明該數(shù)據(jù)包有效，應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)。

反之，如果TTL等于0，說明該數(shù)據(jù)包已過期，應(yīng)該丟棄[11]。

1.2 TTL算法的擴展

擴展的TTL算法流程如圖1所示，用來判斷一個受干擾的信號是否有效。

（1）TTL是不斷遞減的計數(shù)器，每間隔單位時間，TTL就減1，直至減為0。

（2）如果檢測到事件信號，TTL就加2。

（3）如果TTL的值大于某個閾值，說明事件已發(fā)生，應(yīng)該處理；反之，如果TTL的值小于某個閾值，說明事件不一定發(fā)生，應(yīng)該忽略。

1.3 TTL去抖算法

擴展的TTL算法，可以用于機械按鍵的軟件去抖，流程如圖2所示。

（1）TTL是不斷遞減的變量，每間隔單位時間，TTL就減1，直至減為0。

（2）如果檢測到按鍵被按下，該按鍵的TTL就加2。

（3）如果TTL的值大于某個閾值，說明按鍵真的被按下了，應(yīng)該處理；反之，如果TTL的值小于某個閾值，說明按鍵不一定被按下，應(yīng)該忽略。

2 改進的矩陣鍵盤算法

2.1 矩陣鍵盤模塊的原理

本文所采用的開發(fā)平臺為TX-1C 51開發(fā)板。矩陣鍵盤的原理如圖3所示。

2.2 掃描法的選擇

2.2.1 線反轉(zhuǎn)法

這種方法是先讓4根列線輸出0000B，讀取4根行線的數(shù)據(jù)A；再行列反轉(zhuǎn)，即讓4根行線輸出0000B，讀取4根列線的數(shù)據(jù)B；最后由AB組合成一個8位的二進制數(shù)據(jù)即為鍵值[12-13]。

2.2.2 逐行掃描法

這種方法是先讓一根行線輸出0，其余行線輸出1，讀取列線的數(shù)據(jù)，即為該行的鍵值。逐行掃描，4根行線各自輸出一次0，來讀取4行的鍵值[14-16]。

2.2.3 雙循環(huán)掃描法

顧名思義，這種方法是指在矩陣鍵盤中，列和行都各自循環(huán)掃描[16]。與逐行掃描法的區(qū)別在于，逐行掃描法是一次性讀取4根列線的值，而雙循環(huán)掃描法是分別讀取4根列線的值。

2.2.4 掃描法的選擇

組合鍵有3種類型，示意如圖4所示。

（1）跨行組合鍵，即同時按住多個按鍵，且每一行只按下了一個按鍵。

（2）同行組合鍵，即同時按住多個按鍵，且有兩個按鍵恰好在同一行。

（3）三角鍵，即同時按住多個按鍵，且有3個按鍵恰好占了兩行兩列。

3種掃描法的比較如表1所示?？梢钥闯?，線反轉(zhuǎn)法速度最快，而雙循環(huán)掃描法最適合用組合鍵。本文選擇雙循環(huán)掃描法。

2.3 軟件編程

2.3.1 定義全局變量

（1）uchar key_TTL[16]；

對應(yīng)16個按鍵的TTL（用于去抖）

（2）uint keys_val=0；

16位組合鍵的鍵值（用于按鍵功能）

（3）uchar max_TTL=3；

TTL的閾值（判斷按鍵信號是否有效）

（4）uint last_keys_val=0；

上一時刻的鍵值（判斷鍵值變動）

2.3.2 矩陣鍵盤核心函數(shù)

void key_spy（void）

{

uint temp=0；

//雙循環(huán)掃描法 + 譯碼

uchar k，l；

for（l=0；l<4；l++）

{

P3=～（0x01<

for（k=0；k<4；k++）

{

if（（P3&（0x10<

key_TTL[k+l*4]+=2；

}

}

//TTL去抖

for（k=0；k<16；k++）

{

if（key_TTL[k]>0）key_TTL[k]--；

if（key_TTL[k]>=max_TTL）{

//把這個if里的>=改為=，就能自動連點

key_TTL[k]--；

temp=temp|（1<

}

}

keys_val=temp；

//按鍵功能

if（keys_val！=last_keys_val）{

if（keys_val==（（1<<0）））{

//TODO：按下了0號鍵

}

else if（keys_val==（（1<<3）|（1<<4）））{

//TODO：同時按下了3號、4號鍵

}

//TODO：加入更多else if，

// 以擴充鍵盤功能。

}

last_keys_val=keys_val；

}

2.3.3 核心程序的使用方法

在嵌入式系統(tǒng)的主循環(huán)或者定時器中斷里，加入key_spy（void）；這條語句，并在key_spy（void）的按鍵功能區(qū)域，編寫按鍵的處理程序。

2.3.4 改進的矩陣鍵盤算法的例程

本例程中，矩陣鍵盤的功能是：通過按特定的組合鍵，來改變?nèi)肿兞縦1和k2的值。

矩陣鍵盤和液晶屏的代碼省略。

主函數(shù)代碼如下：

void main（）

{

while（1）

{

k3++；if（k3==100）k3=0；

//讓k3不斷增加

display3n（k1，k2，k3）；

//數(shù)碼管實時顯示k1 k2 k3的值

key_spy（）；

//主循環(huán)里加入鍵盤程序

}

}

圖5為例程在TX-1C 51開發(fā)板上運行的照片。

6位數(shù)碼管，左邊4位用來輸出兩個變量k1和k2的值， 右面兩位用來輸出變量k3的值。

在實際運行中，數(shù)碼管右邊兩位的數(shù)字在不停變化。從按下按鍵到松開按鍵，都不會使這兩位數(shù)字的變化出現(xiàn)停頓，說明改進的矩陣鍵盤算法占用CPU資源小。

在按下按鍵的時候，程序能迅速地相應(yīng)按鍵事件，立刻改變k1和k2的值，具有很高的實時性和準確性。

3 評價和推廣

3.1 評價

TTL去抖算法是一種間隔時間采樣的方法。與傳統(tǒng)的延時去抖相比，TTL去抖算法可以很好地利用延時等待的時間，來處理別的任務(wù)，從而提高整個系統(tǒng)的實時性。

TTL去抖算法可以配合線反轉(zhuǎn)法、雙循環(huán)掃描法使用。線反轉(zhuǎn)法掃描得更快，但是不支持組合鍵；而雙循環(huán)掃描法掃描得稍慢，支持組合鍵。這兩種方法與傳統(tǒng)的矩陣鍵盤檢測方法，在掃描時間上的比較如表2所示。

傳統(tǒng)的矩陣鍵盤檢測方法，往往需要等待按鍵松開，這樣按住按鍵不松，主程序就陷入死循環(huán)。

線反轉(zhuǎn)法和雙循環(huán)掃描法，按不同按鍵，所需的掃描時間會有細微差別，這是由于按鍵的檢測順序所導(dǎo)致的。

線反轉(zhuǎn)法和雙循環(huán)掃描法的實際用時差別不大。測試平臺用的是11.059 2 MHz的51單片機。在頻率更高的嵌入式系統(tǒng)中，兩種算法的實際用時會更短，差別會更小。

3.2 推廣

3.2.1 TTL去抖算法用于檢測斑馬線

TTL去抖算法，可以用于恩智浦杯智能汽車競賽中，選用線性CCD作為傳感器的光電組，用來給二值化后的線性CCD圖像檢測斑馬線，也就是檢測起跑線。

二值化后的線性CCD圖像是一行像素，一段連續(xù)的相同的像素，稱為一片區(qū)域；兩片區(qū)域的連接處，稱為一個跳變。

（1）TTLA和TTLB是兩個不斷遞減的計數(shù)器，每掃描一個像素，TTLA就減1，直至減為0；每掃描一個區(qū)域，TTLB就減1，直至減為0。

（2）每掃描到一個跳變，先判斷TTLA是否為0，再給TTLA賦初值。

（3）如果檢測到跳變的時候，TTLA不為零，那么上一個區(qū)域可能屬于斑馬線，令TTLB加2；反之，如果檢測到跳變的時候，TTLA為零，那么上一個區(qū)域不屬于斑馬線。

（4）如果TTLB的值大于某個閾值，說明之前的TTLB個區(qū)域確實是斑馬線，應(yīng)該處理；反之，如果TTLB的值小于某個閾值，說明之前的TTLB個區(qū)域的不一定是斑馬線，應(yīng)該忽略。

3.2.2 改進的矩陣鍵盤算法的推廣

單片機現(xiàn)場賽，是要求參賽選手在規(guī)定時間內(nèi)按要求編寫單片機軟件的比賽，需要在最短的時間寫好底層驅(qū)動，才有時間編寫規(guī)定的功能。改進的矩陣鍵盤算法把獲取鍵值、譯碼、去抖和按鍵功能幾個步驟[15]都精簡到一個子函數(shù)里，代碼短，結(jié)構(gòu)清晰，易于開發(fā)，非常適合單片機現(xiàn)場賽。

平衡車，是對實時性要求極高的嵌入式系統(tǒng)。如果因為按鍵去抖而出現(xiàn)等待延時，那么將極有可能導(dǎo)致平衡車失衡，造成安全隱患?；赥TL去抖算法和線反轉(zhuǎn)法的矩陣鍵盤算法，將非常適合平衡車。

TTL去抖算法和雙循環(huán)掃描法組成的矩陣鍵盤算法，由于支持組合鍵，且實時性高，可以用來制作按鍵多的游戲機，還可以用來做游戲鍵盤。

4 結(jié)語

為實現(xiàn)矩陣鍵盤模塊的快速響應(yīng)以及精準檢測，設(shè)計了基于TTL的去抖算法的矩陣鍵盤算法，掃描部分采用雙循環(huán)掃描法來支持多鍵齊按的功能。通過實驗驗證可知：矩陣鍵盤算法實時性高，識別按鍵準。

與部分矩陣鍵盤算法相比，此算法不依賴中斷、多線程，因此更適用于前后臺系統(tǒng)。代碼精簡，易于開發(fā)單按鍵、組合鍵的鍵盤功能，因此適用于很多場景。

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