GPIO—按键轮询

Posted 2021-05-08 韦东山

12.1关于按键

前面控制LED灯是让GPIO输出高低电平，而获取按键则是读取GPIO电平，从而获知用户是否按下按键。

按键监测一般有两种：按键扫描和按键中断。按键扫描是间隔很短时间反复查询GPIO状态，从而得知是否有按键动作，这种方式代码简单，但比较耗资源。按键中断而是通过按键产生中断信号，从而实现按键的检测，这种方式需要使用到中断机制，需要对MCU了解深入一点，效果是最好的。

本节先介绍按键扫描，理解按键的基本原理，下一章再介绍按键中断，同时了解STM32F103的中断使用方法。

按键一般占用一个GPIO口，通过监测该GPIO的电平变化得知按键操作，典型的电路如图 12.1.1 所示。当所需按键比较多时，则可以采用矩阵按键减少GPIO的占用。矩阵按键需要通过编程扫描等方式实现对多个按键的监控，这里以最简单的独立按键为基础进行介绍。

可以看到，在没有按下按键时，电源3.3V通过电阻连接到MCU的PA0脚上，此时MCU读取PA0的电平就是3.3V的高电平。在按键按下时，电源3.3V经过电阻，再经过按键连接到了地，此时PG3连接到接地的一端，读到的电平就是0V的低电平。由此，MCU就可用过读取对应引脚的电平值，得知按键的变化。

常用的按键都是机械触点式按键，机械式按键在按下或释放的过程中，由于机械弹性作用的影响，会伴随机械抖动，如图 12.1.2 所示。

抖动的时长与机械开关特性相关，一般为5-10ms。在这抖动过程中，会产生多次高低电平，导致被识别为多次按键操作。为了避免机械触点按键检测误判，必须消抖处理。按键消抖可以硬件上处理，即在按键旁并联电容，吸收抖动的电平。也可以软件处理，即通过延时，避开抖动。

由此，首先获取对应引脚的电平得知按键状态，再硬件或软件消除抖动。

12.2硬件设计

如下图 12.2.1 所示，是一种常见轻触按键，该按键有四个脚，①和②脚连接，③和④脚连接，按钮按下后，四脚全相连，实现导通效果。

开发板有四个用户按键，在开发板左下角，如图 12.2.2 所示。为了方便区分，以按键所处位置命名，分别为KEY1_U（up，上）、KEY2_D（down，下）、KEY3_L（left，左）、KEY4_R（right，右）。

如图 12.2.3 为开发板用户按键部分的原理图，四个按键除了所接GPIO引脚不同外，其它一模一样。以最左边的KEY1为例，E2的TVS二极管用于静电保护，可以看作不存在；C36的电容用于硬件去抖，也可以看作不存在。按键松开时，VDD_3V3经过上拉电阻R25，再经过限流电阻R29到GPIO KEY1（PA0），此时PA0读取电平为高电平；按键按下时，VDD_3V3经过上拉电阻R25，再通过按键接地，此时PA0读取电平为低电平。

由此可知，按键按下，GPIO引脚电平变低，反之为高。四个按键所接GPIO分别为：KEY1（PA0）、KEY2 （PG15）、KEY3（PC13）、KEY4（PE3）。

12.3软件设计

12.3.1标题软件设计思路

实验目的：本实验通过轮询读方式取GPIO的输入电平判断按键是否按下，并操作对应LED。

1. 按键初始化：GPIO端口时钟使能、GPIO引脚设置为输入（PA0， PG15， PC13， PE3）；
2. 封装每个按键处理函数：读取按键GPIO状态，操作对应LED灯亮灭；
3. 主函数轮询按键状态：一直检测是否有按键被按下；
   本实验配套代码位于“5_程序源码\\5_GPIO—按键轮询\\”。

12.3.2软件设计讲解

1. GPIO宏定义与接口宏定
   代码段 12.3.1 引脚宏定义（driver_key.h）

/*********************
* 按键引脚状态定义
**********************/
#define PUSH_DOWN GPIO_PIN_RESET
#define SPRING_UP GPIO_PIN_SET
/*********************
* 引脚宏定义
**********************/
#define KEY_UP_GPIO_PIN GPIO_PIN_0
#define KEY_UP_GPIO_PORT GPIOA
#define KEY_UP_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define KEY_DOWN_GPIO_PIN GPIO_PIN_15
#define KEY_DOWN_GPIO_PORT GPIOG
#define KEY_DOWN_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE()
#define KEY_LEFT_GPIO_PIN GPIO_PIN_13
#define KEY_LEFT_GPIO_PORT GPIOC
#define KEY_LEFT_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE()
#define KEY_RIGHT_GPIO_PIN GPIO_PIN_3
#define KEY_RIGHT_GPIO_PORT GPIOE
#define KEY_RIGHT_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE()
/*********************
* 函数宏定义
**********************/
/*
* 按键状态读取函数宏定义
*/
#define KEY_UP HAL_GPIO_ReadPin(KEY_UP_GPIO_PORT, KEY_UP_GPIO_PIN)
#define KEY_DOWN HAL_GPIO_ReadPin(KEY_DOWN_GPIO_PORT, KEY_DOWN_GPIO_PIN)
#define KEY_LEFT HAL_GPIO_ReadPin(KEY_LEFT_GPIO_PORT, KEY_LEFT_GPIO_PIN)
#define KEY_RIGHT HAL_GPIO_ReadPin(KEY_RIGHT_GPIO_PORT, KEY_RIGHT_GPIO_PIN)

根据硬件设计选定的四个按键的引脚，将其宏定义命名为UP/DOWN/LEFT/RIGHT，且对他们的读取函数进行重命名。其中“HAL_GPIO_ReadPin()”原型“GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)”，参数依次是：引脚组，引脚号，返回的是0（低电平）或1（高电平）。

2. GPIO初始化
   代码段 12.3.2 按键初始化（driver_key.c）

/*
* 函数名：void KeyInit(void)
* 输入参数：无
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：初始化按键的引脚，配置为输入
*/
void KeyInit(void) {
// 定义 GPIO 的结构体变量
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
// 使能按键的 GPIO 对应的时钟
KEY_UP_GPIO_CLK_EN();
KEY_DOWN_GPIO_CLK_EN();
KEY_LEFT_GPIO_CLK_EN();
KEY_RIGHT_GPIO_CLK_EN();
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; // 设置为输入模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; // 默认上拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 引脚反转速度设置为快
// 初始化'Up'键引脚配置
GPIO_InitStruct.Pin = KEY_UP_GPIO_PIN; // 选择按键的引脚
HAL_GPIO_Init(KEY_UP_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
// 初始化'Down'键引脚配置
GPIO_InitStruct.Pin = KEY_DOWN_GPIO_PIN; // 选择按键的引脚
HAL_GPIO_Init(KEY_DOWN_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
// 初始化 Left'键引脚配置
GPIO_InitStruct.Pin = KEY_LEFT_GPIO_PIN; // 选择按键的引脚
HAL_GPIO_Init(KEY_LEFT_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
// 初始化'Right'键引脚配置
GPIO_InitStruct.Pin = KEY_RIGHT_GPIO_PIN; // 选择按键的引脚
HAL_GPIO_Init(KEY_RIGHT_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct); }

将引脚初始化为上拉输入，此处使用了一个小技巧，因为各个按键的除了引脚号不同之外其余参数都是一致的，所以将GPIO结构体除引脚号外的参数只赋值一遍，最后只改变引脚号的那个成员参数的值进行初始化就可以了，不需要每个按键都将所有的成员参数重新赋值一遍，简化了代码量。

3. 按键读取函数
   因为四个按键这个函数的处理都几乎一致，所以此处只对KEY1，即UP键进行具体举例，其余的请查看具体代码。

代码段 12.3.3 按键读取函数（driver_key.c）

/*
* 函数名：void UpKeyPolling(void)
* 输入参数：无
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：使用轮询方式查询向上键是否按下，通过按下控制三色灯绿灯亮灭
*/
static bool up_flag = false;
void UpKeyPolling(void) {
if(KEY_UP == PUSH_DOWN) // 如果检测到向上键被按下
{
HAL_Delay(8); //延时 8ms 防按键抖动
if(KEY_UP == PUSH_DOWN) // 如果防抖动后向上键依然是处于被按下的状态，就认为向上键被按下过
{
up_flag = !up_flag; // 用一个标志位来判断向上键被按下次数，按下一次绿灯亮，再按一次绿灯灭，如此反复
RLED(OFF);
GLED(up_flag?OFF:ON);
BLED(OFF); } } }

• 8行：定义了一个全局变量标志位“up_flag”，作为UP键被按下的标志；
• 11行：获取该按键状态;
• 13行：延时5-10ms，软件去抖；
• 14行：再次获取该按键状态，此时依旧按下，说明是正常按键操作，非抖动；
• 16行：将标志位置反，按键按一次置反一次（即0->1->0->1这样循环）；
• 17行：熄灭红色LED灯；
• 18行：根据标志位“up_flag”的值，让绿色LED灯亮或灭；
• 19行：熄灭蓝色LED灯；

此时每按下一次UP键，绿色LED灯将亮灭交替。剩下的三个按键的效果分别是：DOWN->三个灯同时亮灭；LEFT->红灯亮灭；RIGHT->蓝灯亮灭。

4. 主函数测试
   代码段 12.3.4 主函数控制逻辑（main.c）

// 初始化 LED
LedGpioInit();
// 初始化按键
KeyInit();
while(1) {
// 轮询向上键
UpKeyPolling();
// 轮询向下键
DownKeyPolling();
// 轮询向左键
LeftKeyPolling();
// 轮询向右键
RightKeyPolling(); }

• 1~4行：初始化LED灯和按键；
• 6~16行：一直循环查询每个按键当前状态，从而判断对应按键是否按下;

12.4实验效果

本实验对应配套资料的“5_程序源码\\5_GPIO—按键轮询\\”。打开工程后，编译，下载。按下KEY3_L，红色亮/灭；按下KEY3_U，绿色亮/灭；按下KEY3_R，蓝色亮/灭；按下KEY3_D，三灯亮/灭。

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