原创 单片机键盘扫描之状态机实现

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                     单片机键盘扫描之状态机实现<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

                   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:

************************************************************/

#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:

************************************************************/

#ifndef _INCLUDES_H_

#define _INCLUDES_H_

//system header files

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

//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:

************************************************************/

#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:

************************************************************/

#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<?xml:namespace prefix = 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:

************************************************************/

#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:

************************************************************/

#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:

************************************************************/

#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

}

}

}