CC2530+74HC164矩阵键盘的设计

Posted 2023-02-18 写了程序换酒钱

最近个大网盘都发出通知，用户的数据将会被清楚，其中就有金山快盘，上大学的时候用的金山，很多重要的资料在其中都保存了一份。现在将其全部下载了下来，然后发现了我的毕业论文，看了一遍，就有了这系类文章。今天将矩阵键盘的设计和编程。

背景

我的毕业设计是基于ZigBee网络的一个hub系统，协调器节点作为中枢，控制器和被控制器都连接在这个中枢上。控制器上使用矩阵键盘那就很平常了。

CC2530的端口数比较小，这也是单片机开发中遇到的常见问题，I/O资源有限，那么我们这边的矩阵键盘也是，在这里我们为了减少I/O端口的使用，我们使用了移位寄存器来减少端口的使用。我们使用的是74HC164。下面对其进行简单的介绍。

74HC164移位寄存器

74HC164是一种由边沿触发的8位移位寄存器器件，其以串行方式一位一位的接受数据输入，然后以并行方式输出一个8位的结果数据。通过两个数据输入端（DSA或DSB）中的一个进行数据的串行输入或者将两个输入端连在一起共同输入。
每次时钟信号(CP)由低变高时，即发生边沿触发，寄存器中的数据都要右移一个比特，这时Q0的电位即为此次的数据输入的结果，是0还是1，也就是数据输入端DSA和DSB的逻辑与。
当主复位（MR）接低电平是，将会使其他端口失效，重置寄存器，输出端口置低电平。
引脚为下图所示：

各引脚说明:

键盘模块设计

矩阵键盘是一种通用的，在工控行业应用广，使用成熟的布局类似于矩阵的按键组。
当实际应用需要很多按钮时，为了尽量减少占用的I/O端口数，通常需要使用一个矩阵键盘。矩阵键盘中每个行线和列线在相交处不直接连通，而是用一个按键作为连接两者的点。这样，如果一个需要包含16个按键的键盘，排成一个4x4的矩阵，就只需要8个端口，比一个I/O连接一个按键减了少一倍的端口数使用，这对于I/O较紧张的系统来说是很重要的，而且当线数越多时，两者之间的区别就越突出，比如再多加一条行线就可以多包含4个按键，而直接使用端口线则只能构成9个按键的键盘。由此可见，在需要的键数较多的情况下，采用矩阵法是在合适不过的。
相比较而言，矩阵式结构肯定比直接相连结构在设计布局上要复杂的多，对于按键按下操作的识别也要复杂。在对矩阵式键盘处理按下事件时一般采用行列扫描法和反转法。本设计使用的是反转法。
一般的反转法的接法是行线和列线接I/O口，其中一列为低，一列为高。比如一个器件有两排端口分别为P0和P1，现在P0接行线，P1接列线，如果P0初始状态为高，那么P1则为低。当所有的按键都是处于未按下的状态，则P0继续保持高电平的状态，P1也保持的原来低电平的状态。如果其中有一个按键被按下，因为按键连接着行列线，P0为高电平状态，P1为低电平状态，所以P0中会有一个I/O端口的电位会被拉低，此时我们就可以知道按下的按键位于哪一行。在检测到P0口有I/O端口电位被拉低后，记录下此时P0口的状态，在C51编程中，一般使用一个8bit数保存。记录下P0状态后，立刻有规律的改变P1的各位的电位，改变的规则为从一个方向开始，依次拉高一个I/O的电位，其他位保持低电平，检查P0的状态是否恢复到原来的高电平，如果为高电平则记录下P1口的状态，此时记录下的P0口和P1口的状态的两个数据，就可以唯一的代表一个按键。
在本课题中，由于CC2530的I/O端口数量少，为了尽量地减少I/O端口的使用，以便以后能够对系统进行拓展，我们使用了8位串入、并出移位寄存器74HC164来减少I/O的使用。我们的主键盘设计为2x8的矩阵，另外还有两个独立的按键（左右按键，现阶段只使用了左按键），一共18个按键，使用中断来通知CPU发生了按键事件，其中主键盘共用一个中断，两个独立的按键各自使用一个中断，不使用轮询，这样有效的提高了按键的稳定性，在复杂系统中提高了按键的响应度。本来主键盘的列线需要8位I/O口，但是现在我们使用74HC164，则列线只需要使用一个I/O口，行线数量不变，现在就只需要3个I/O口就可以完成，这大大降低了I/O的使用数量，为以后扩展提供了I/O空间。

键盘布局如下：

因为使用了中断，所以当按钮按下时，两行按键中会有一行电平被拉低，使用一个与门来得出按键按下的信号，也就是当有按键按下时，与门输入为低电平，触发中断。

键盘驱动程序设计

键盘的第一行与P1_4（P1端口的第5个引脚）相连，第二行与P1_5（P1端口的第6个引脚）相连，单独的左按键与P1_7（P1端口的第8个引脚）相连，74HC164的数据输入端与P1_2（P1端口的第2个引脚）相连，74HC164的时钟线与P1_3（P1端口的第4个引脚）相连，与门的输出端，也就是中断信号线与P1_6相连。
在键盘驱动初始化过程中需要对使用到的端口进行对应的设置。行线所接的端口和中断信号接口都是输入口，74HC164的数据和时钟都是输出口，中断的端口还需要进行相应的功能设置。
P1DIR为P1口的方向寄存器，可位寻址，当某一位设置为0时，此I/O口用于输入，为1时，则用于输出。所以将P1DIR的4~7设置为0,2和3设置为1。P1IEN为P1口的中断使能寄存器，为1开中断，为0关中断，6和7分别用于主键盘和左键盘中断。
D0~D3位被用来对端口的中断触发方式进行设置，取值为0时设置上升沿触发，取值为1时设置下降沿触发。P1_6和P1_7使用下降沿触发。P1SEL为P1功能选择寄存器，0代表普通的I/O口，1代表功能口，中断为功能口，所以P1_6和P1_7为功能口。因为P1使用到中断，所以需要P1口中断使用。P1IFG为端口1的终端状态标志寄存器，当端口的某个I/O口有中断请求时，P1IFG寄存器中相应的位将被置1。例如如果P1_6有中断，那么P1IFG的第六位就会置1，在初始化时，可以将它清空。在P1口的中断函数中，需要先判断P1IFG的第六位和第七位是否为1，如果第六位为1，那就是主键盘有按键按下，否则为左按键。
在程序中，使用了两个变量，一个用来标示是否有键按下，另一个用来记录了按下的按键值。当有按键按下时，中断函数起作用，会改变着两个值，那么当操作系统查询按键标识时，发现它标示有按键发生，然后查询按键值，这样就可以根据按键值进行相关的功能设计。那怎样得出是那个按键按下呢？我们根据硬件和设计的算法得出了一个按键的编码表。

主键盘算法描述如下：
1.获得行线当前的状态Th；
2.将0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80这八个数据依次发送给74HC164直到行线恢复到原来的状态，记录下此时的发送的数据Tl；
3.将Th和Tl进行或操作，得出的即为此按钮的编码。
对于左按键，使用独立的处理函数，给它的编码值为0xff。当有按键按下时，我们根据算法计算出编码，然后使用查表法，就能够确定按下的是那个按键。

code

void send_key(uint8 key_value)

    int i = 0;
    for (;i < 8;++i)
    
        CLCK = 0;
        S_IN = ((key_value & 0x80) >> 7);
        CLCK = 1;
        key_value <<= 1;        
    
    delay_ms(1);
    get_row();





void get_row()

    //00XX0000
    //0x30
    uint8 t = P2;
    uint8 t2 = P1_5;
    uint8 t3 = P1_4;
    row |= t2;
    row <<= 1;
    row |= t3;
    row <<= 6;





void get_column()

    int j = 0;
    uint8 temp = 0x00;
    get_row();
    if (row != 0xc0) 
        delay_ms(4);
        get_row();
        if (row != 0xc0) 

            temp = row;
         else 
            return;
        
     else 
      return;
    

    for (;j < scan_size;++j)
    
        send_key(scan[j]);
        if (temp != row)
        
            is_click = 1;
            row = 0xc0;
            result_key = temp | (j + 1);
            CLEARZERO();
            break;
        
    



//供中断调用
void do_button()

    get_column();


uint8 click()

    uint8 re = is_click;
    if (is_click == 1)
    
      is_click = 0;
    
    return re;

uint8 key()

    return result_key;


char parse_key(uint8 key_value)

    char re;
    int i = 0;
    for (;i<16;i++)
    
        if (button_code[i] == key_value)
        
            if (i < 10)
            
                re = '0' + i;
            
            else
            
                switch(i)
                
                    case 10:re = '=';break;
                    case 11:re = '+';break;
                    case 12:re = '-';break;
                    case 13:re = '*';break;
                    case 14:re = '/';break;
                    case 15:re = 'C';break;
                
            
            break;
        
    
    return re;



void button_init()

    //高电平为输出方式
    //000011xx
    P1DIR &= 0x0f;
    P1DIR |= 0x0c;

    P1IEN |= 0xc0;//7 6中断是能
    PICTL |= 0x04;//P1下降沿触发

    P1INP &= 0x0f;//上拉

    P1SEL |= 0xc0;//6 7功能口
    P1SEL &= 0xc0;//0-5 I/O口

    IEN2 |= 0x10;

    P1IFG = 0;
    CLEARZERO();


void do_left_soft_button()

    is_click = 1;
    result_key = 0xff;


#pragma vector = P1INT_VECTOR    //外部中断函数
__interrupt void P1_INT(void)
  IEN2 &= 0xef;;
  if (P1IFG > 0)
      if (P1IFG & 0x40) 
          do_button();
       else 
        //左软键
          do_left_soft_button();
      

  
  IEN2 |= 0x10;
  P1IFG = 0;

其中有很多CC2530初始化中断和端口的代码。主要是send_key函数，使用在移位过程中，器件特性导致了一定的延时，当时调试的时候，反转的时候一直没用，然后想到74HC164可能在输入和并出有一点的间隔，然后加了延时就OK了。在读行的时候也加了延时，而且读两遍，不然可以就读不出来。