陳丙山，侯志偉，張永平，景江鵬

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州，730060）

0 引言

按鍵是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中重要的人機(jī)交互工具，能夠更好地實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)之間的溝通與交互[1～2]。實(shí)現(xiàn)按鍵交互的主要結(jié)構(gòu)方式有獨(dú)立按鍵和矩陣鍵盤[3～4]，其中獨(dú)立按鍵的識別效率很高、硬件連接電路簡單，但每個按鍵都要占用一根I/O口引腳，比較適用于少按鍵的應(yīng)用場景，對于按鍵數(shù)量較多的情況下，為節(jié)省I/O口資源，需考慮使用矩陣鍵盤結(jié)構(gòu)形式，矩陣鍵盤由多個行線和多個列線交織組成，廣泛應(yīng)用于數(shù)字密碼鎖、臨時存取柜、電梯控制器等多按鍵場景[5～8]。因此，矩陣鍵盤作為電子設(shè)備和儀器裝置的人機(jī)交互重要媒介，相應(yīng)也提高了軟件編程的復(fù)雜度，本文針對矩陣鍵盤識別時間長、電路擴(kuò)展性差、通用性低等問題，詳細(xì)介紹了以行列掃描法、行列線反法識別5×4（5 行4 列）矩陣鍵盤的優(yōu)化方法，并提出了以16 位并行端口I2C 擴(kuò)展器PCA9555a 為紐帶的矩陣鍵盤識別方法，以滿足相關(guān)應(yīng)用場景中對多按鍵識別的實(shí)際應(yīng)用需求。

1 方案設(shè)計(jì)

矩陣鍵盤與處理器的硬件連接結(jié)構(gòu)有直連法和擴(kuò)展法兩種方式[9～10]，為適用于更多按鍵的應(yīng)用場景，通常采用并行端口擴(kuò)展器的方式。識別矩陣鍵盤中某個按鍵按下的位置，主要有掃描法、線反法、中斷法等方式，其識別方法包括獲取行列位置、鍵值編碼、確定鍵號以及延時消抖等。

1.1 掃描法

矩陣鍵盤硬件連接電路如圖1 所示， 主控器STM32F103C8 與5 行4 列矩陣鍵盤的連接關(guān)系為：PB7～PB11 分別連接矩陣鍵盤的行線，PB12～PB15 分別連接矩陣鍵盤的列線；VIRTUAL TERMINAL 用來調(diào)試輸出過程信息；PA0 為處理器正常工作指示燈。

圖1 掃描法硬件連接電路

根據(jù)行線列線的高低電平來識別是否有按鍵按下，從而獲取按鍵值。行列掃描法的識別思路為將列線GPIO 口PB12～PB15 設(shè)置為輸出模式，行線GPIO 口PB7～PB11 設(shè)置為輸入模式，采用“寫列線，讀行線”的方式逐列掃描，讀行判斷是否有按鍵按下，其主要步驟為：

第一步，置第1 列為低電平，其余列為高電平，那么列線PB12～PB15 的colval 值為1110；

第二步，讀取行線數(shù)據(jù)，行線有低電平表示該行有按鍵按下，例如當(dāng)按下的按鍵在第1 行時，第1 行的行線I/O口為低電平，那么行線PB7～PB11 的rowval 值為11110，如表1 所示。將rowval 值按位取反得到行線二進(jìn)制值為00001（十進(jìn)制為1）。同理，第2 行的行線二進(jìn)制值為00010（十進(jìn)制為2），第3 行的行線二進(jìn)制值為00100（十進(jìn)制為8），第4 行的行線二進(jìn)制值為01000（十進(jìn)制為16），第5 行的行線二進(jìn)制值為10000（十進(jìn)制為32）。

表1 第1列為低電平時讀取的行線值

由此可見，按鍵按下的所在行keyrow與讀取行值rowval按位取反的值呈現(xiàn)的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式（1）中，C 語言math.h 頭文件里log 函數(shù)為基數(shù)為e 的對數(shù)；

第三步，計(jì)算按下按鍵的鍵號keyval，與所在行keyrow的計(jì)算同理，按鍵按下的所在列keycol與設(shè)置行值colval按位取反的值呈現(xiàn)的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

那么，按鍵按下對應(yīng)的鍵號keyval為：

第四步，按以上步驟以此類推逐列掃描完所有列。

本文矩陣鍵盤按鍵識別優(yōu)化算法極大避免了鍵值編碼和查表取值的繁瑣工作。

1.2 線反法

采用“寫列線，讀行線”的方式需要逐列進(jìn)行掃描，完成全部列的掃描其識別時間長、效率低。因此，逐行或逐列掃描法較為繁瑣，在實(shí)際的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中更常用的是線反法。線反法的識別思路為行線輸出，列線輸入，行線置0，列線置1，按鍵按下時，列線被拉低，讀取列線值確定低電平在哪一列；同理，行線輸入，列線輸出，行線置1，列線置0，按鍵按下時，行線被拉低，讀取行線值確定低電平在哪一行；根據(jù)按鍵所在的行線與列線，即可唯一確定按鍵所在位置，進(jìn)而獲取按鍵的鍵值。其主要操作步驟為：

第一步，將行線PB7～PB11 設(shè)置為輸出模式，列線PB12～PB15 設(shè)置為輸入模式。

設(shè)置方式如下：

GPIOB-＞CRL &= 0x0FFFFFFF;

GPIOB-＞CRL |= （（uint32_t）3＜＜28）;

GPIOB-＞CRH &= 0x00000000;

GPIOB-＞CRH |= （（uint32_t）3＜＜0 | （uint32_t）3＜＜4| （uint32_t）3＜＜8 | （uint32_t）3＜＜12 | （uint32_t）8＜＜16 |（uint32_t）8＜＜20 | （uint32_t）8＜＜24 | （uint32_t）8＜＜28）;

第二步，行線輸出低電平，列線輸出高電平，若有按鍵按下，則將某條列線被拉低，讀取列線PB12～PB15 的值colval 不再全為高電平，說明有按鍵按下，跳轉(zhuǎn)到第三步，否則跳轉(zhuǎn)至第一步等待有按鍵按下；

第三步，按式（2）計(jì)算出按鍵所在列的值keycol；

第四步，將行線PB7～PB11 設(shè)置為輸入模式，列線PB12～PB15 設(shè)置為輸出模式。

設(shè)置方式如下：

GPIOB-＞CRL &= 0x0FFFFFFF;

GPIOB-＞CRL |= （（uint32_t）8＜＜28）;

GPIOB-＞CRH &= 0x00000000;

GPIOB-＞CRH |= （（uint32_t）8＜＜0 | （uint32_t）8＜＜4| （uint32_t）8＜＜8 | （uint32_t）8＜＜12 | （uint32_t）3＜＜16 |（uint32_t）3＜＜20 | （uint32_t）3＜＜24 | （uint32_t）3＜＜28）;

第五步，行線輸出高電平，列線輸出低電平，讀取行線PB7～PB11 的值rowval。

第六步，按式（1）計(jì)算出按鍵所在行的值keyrow；

第七步，按式（3）計(jì)算按下按鍵的鍵號keyval。

具體實(shí)現(xiàn)程序如下：

uint8_t keypad_scan1（void）

{

uint16_t rowval;

uint16_t colval;

uint8_t keyval = 0;

GPIOB-＞CRL &= 0x0FFFFFFF;

GPIOB-＞CRL |= （（uint32_t）3＜＜28）;

GPIOB-＞CRH &= 0x00000000;

GPIOB-＞CRH |= （（uint32_t）3＜＜0 | （uint32_t）3＜＜4| （uint32_t）3＜＜8 | （uint32_t）3＜＜12 | （uint32_t）8＜＜16 |（uint32_t）8＜＜20 | （uint32_t）8＜＜24 | （uint32_t）8＜＜28）;

oKeypadPort = 0xF000;

if（iKeypadPort!=0xF000）

{

delay_n_ms（10）;

if（iKeypadPort!=0xF000）

{

oKeypadPort = 0xF000;

colval = （～（iKeypadPort＞＞12））&（0x000F）;

GPIOB-＞CRL &= 0x0FFFFFFF;

GPIOB-＞CRL |= （（uint32_t）8＜＜28）;

GPIOB-＞CRH &= 0x00000000;

GPIOB-＞CRH |= （（uint32_t）8＜＜0 | （uint32_t）8＜＜4 | （uint32_t）8＜＜8 | （uint32_t）8＜＜12 | （uint32_t）3＜＜16 | （uint32_t）3＜＜20 | （uint32_t）3＜＜24 | （uint32_t）3＜＜28）;

oKeypadPort = 0x0F80;

rowval = （～（iKeypadPort＞＞7））&（0x001F）;

keyval = log（rowval）/log（2）*4 + （log（colval）/log（2）） + 1；

do{rowval = （iKeypadPort＞＞7）&（0x001F）;}while（rowval!=0x001F）;

}

}

return keyval;

}

1.3 擴(kuò)展法

為節(jié)省GPIO 接口資源，或GPIO 接口較少的情況下，采用并行端口擴(kuò)展器的方式來實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤的硬件連接，PCA9555 是一種400kHz 快速I2C 總線的16 位I/O 擴(kuò)展器，工作電壓為2.3V～5.5V，由兩個8 位配置（輸入或輸出可選）、輸入端口、輸出端口和極性反轉(zhuǎn)（高電平有效或低電平有效運(yùn)行）寄存器組成。主控制器寫入I/O 配置位將I/O 啟用為輸入或輸出，每個輸入或輸出的數(shù)據(jù)均保存在相應(yīng)的輸入或輸出寄存器中，輸入端口寄存器的極性可借助極性反轉(zhuǎn)寄存器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。采用PCA9555 擴(kuò)展器的矩陣鍵盤硬件連接電路如圖2 所示。

圖2 擴(kuò)展法硬件連接電路

PCA9555 的從機(jī)地址配置如表2 所示。

表2 第1列為低電平時讀取的行線值

表2 中，PCA9555 的從機(jī)地址為0x20，那么寫數(shù)據(jù)地址為（0x20＜＜1）|0，讀數(shù)據(jù)地址為（0x20＜＜1）|1。

矩陣鍵盤按鍵的識別思路與線反法相似，采用I2C 總線配置16 位I/O 擴(kuò)展器的輸入或輸出，寫輸出端口寄存器值和讀輸入端口寄存器值。

具體實(shí)現(xiàn)程序如下：

uint8_t keypad_scan2（void）

{

uint16_t rowval;

uint16_t colval;

uint16_t PortToData;

uint8_t keyval = 0;

PCA9555A_IOConfiguration（0x20, 0xFF00）;

PCA9555A_WriteData（0x20, 0xFF00）;

PortToData = PCA9555A_ReadData（0x20, 0x01）;

rowval = PortToData&0x001F;

if（rowval != 0x001F）

{

delay_n_ms（2）;

PortToData = PCA9555A_ReadData（0x20,0x01）;

rowval = PortToData&0x001F;

if（rowval != 0x001F）

{

PCA9555A_WriteData（0x20, 0xFF00）;

PortToData = PCA9555A_ReadData（0x20, 0x01）;

rowval = （～PortToData）&0x001F;

PCA9555A_IOConfiguration（0x20, 0x00FF）;

PCA9555A_WriteData（0x20, 0x00FF）;

PortToData = PCA9555A_ReadData（0x20, 0x00）;

colval = （～PortToData）&0x000F;

keyval = log（rowval）/log（2）*4 + （log（colval）/log（2）） + 1;

do{

PortToData = PCA9555A_ReadData（0x20,0x00）;

colval = PortToData&0x000F;

}while（colval!=0x000F）;

}

}

return keyval;

}

2 仿真測試

為了實(shí)驗(yàn)的便捷和成本，5×4（5 行4 列）矩陣鍵盤的硬件設(shè)計(jì)思路和軟件識別算法經(jīng)過仿真軟件Proteus 8.16 SP3（Build 36097） 和 開 發(fā) 環(huán) 境STM32CubeIDE 1.14.0的聯(lián)合調(diào)試，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)過程的正確性。其中主控器STM32F103C8 的OSC frequency 設(shè)置為72MHz。

仿真運(yùn)行時Virtual Terminal 輸出的結(jié)果如圖3 所示。

圖3 仿真運(yùn)行結(jié)果

3 結(jié)束語

本文針對矩陣鍵盤識別時間長、電路擴(kuò)展性差、通用性低等問題，提出了一種矩陣鍵盤行列掃描法、行列線反法識別5×4（5 行4 列）矩陣鍵盤的優(yōu)化識別算法，極大地避免了鍵值編碼和查表取值的繁瑣工作。行列掃描法將列線設(shè)置為輸出模式，行線設(shè)置為輸入模式，采用“寫列線，讀行線”的方式逐列掃描，讀行判斷是否有按鍵按下，采用基數(shù)為e的對數(shù)函數(shù)計(jì)算出按鍵所在行和所在列，從而計(jì)算出按鍵鍵號。但逐行或逐列掃描法較為繁瑣，掃描識別時間長、效率低，進(jìn)一步改進(jìn)為線反法：行線輸出，列線輸入，讀取列線值確定低電平在哪一列；行線輸入，列線輸出，讀取行線值確定低電平在哪一行；根據(jù)按鍵所在的行線與列線確定按鍵所在位置，進(jìn)而獲取按鍵的鍵值。為節(jié)省GPIO 接口資源，或GPIO 接口較少的情況下，設(shè)計(jì)了以16 位并行端口I2C擴(kuò)展器PCA9555a 為紐帶的矩陣鍵盤硬件連接和識別方法。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文線反法優(yōu)化識別算法穩(wěn)定可靠、簡潔清晰、通用性好以及效率更高，擴(kuò)展法比較適用于GPIO接口資源稀少情況，具有較好的實(shí)用價值。