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