4x4矩阵键盘

Posted 2020-10-20 vinccc

4x4矩阵键盘实拍照如下图。其构成是4行（L1:4）x 4列（R1:4）共16个按键，当第n行、第m列的按钮(n, m)按下时，引脚 Ln 与 Rm 导通：

 

 

有一篇文章，对矩阵键盘的接口讲解得很详细。概括起来说，按键检测分为3个阶段。第一个阶段，扫描行。行I/O口设为input模式，使用上拉电阻。列I/O口设为output模式，输出0。逐行扫描，某一行若没有按键按下，则在上拉电阻的作用下pin值读取为1；若该行任一按键按下，则被按键短路到列I/O口，因此pin值读为0。检测到有按键被按下后，进入第二阶段，列扫描，以确定被按下的按键的列。列扫描阶段，行/列的I/O模式互换，即：行I/O口设置为output模式，输出0；列I/O口设为input模式，使用上拉电阻。类似于行扫描，逐列进行扫描，当读取到pin值为0则表明被按下的按键属于该列。通过第一、二阶段，就能确定被按下的按键。第三阶段，监听被按下的按键的列I/O口，直到pin值为1，即表明按键被松开。

关于上拉/下拉电阻，这里有一篇介绍文章。上拉电阻的作用在于，在常态下，按钮开放，IO口被“往上拉”到VDD，读数为1；当按钮闭合，I/O口通过按钮短路到VSS，读数为0；而VDD通过上拉电阻和按钮与VSS连通。若没有上拉电阻的存在，则VDD与VSS短路，会造成灾难性的后果，这显然是必须避免的。使用上拉电阻时，按钮开放时，pin值为1；当按钮闭合时，pin值为0。即，pin值与按钮闭合状态相反，这称为“负逻辑”。

在前述矩阵键盘 的接口算法中，三个阶段都使用了上拉电阻。其检测逻辑为负逻辑。

STM32的I/O口内部电路中包含有上拉电阻和下拉电阻，可以通过程序启用或禁用。

在流水灯实验的硬件基础上，增加矩阵键盘接口。4x4矩阵键盘共有16个按键，4个LED刚好可以显示16个二进制值（0-0x0F）。

矩阵键盘的按键检测是分阶段进行的，因此，程序的主体结构特别适合使用“状态机”设计模式。下列代码中，4个行I/O口的Label依次为R1:4，列I/O口为C1:4。首先定义状态结构体及3个实例：

typedef struct {
    void (*enter)();
    uint8_t (*loop)();
} App_ScanningState;

#define App_STAY 0
#define App_LEAVE 1

void rowScanningEnter();
uint8_t rowScanningLoop();
void colScanningEnter();
uint8_t colScanningLoop();
void colScanningPressedEnter();
uint8_t colScanningPressedLoop();

App_ScanningState rowScanning = { rowScanningEnter, rowScanningLoop };
App_ScanningState colScanning = { colScanningEnter, colScanningLoop };
App_ScanningState colScanningPressed = { colScanningPressedEnter, colScanningPressedLoop };

App_ScanningState *currState = &rowScanning;

 

结构体 App_ScanningState 表示1个状态，当进入该状态时，调用其 （函数指针）成员enter() 。在程序主循环中，则调用其 loop() 成员。loop() 函数返回值为 App_STAY 或 App_LEAVE，若返回前者，则表明应该停留在该状态，下次主循环将再次调用此状态的 loop() 函数；反之，若返回后者，则表明应该切换到下一个状态。

rowScanning, colScanning, colScanningPressed 3个App_ScanningState实例，分别为行扫描阶段、列扫描阶段及第三阶段（检测按键松开）。程序初始时为行扫描状态，例如，使用CubeMX自动生成的初始化代码。程序主循环内的代码为：

    if (App_LEAVE != currState->loop()) {
        return;
    }

    // Button released
    if (currState == &colScanningPressed) {
        lightLedsUp(key);
    }

    // Next state
    currState = currState == &rowScanning ? &colScanning //
            :
                currState == &colScanning ? &colScanningPressed //
                        : &rowScanning;
    currState->enter();

　　

首先，调用当前状态的 loop() 函数，其返回值表明是否应该切换到下一个状态。如果切换到下一个状态，则调用其 enter() 函数。如果是离开第三阶段，则已检测到一次按键事件（按下并松开），根据按键键值（0-15）点亮LED。点亮LED的函数定义如下，其无外乎按位依次点亮或熄灭每一个LED：

#define BIT_TO_PIN_VALUE(key, bit) ( (1 & (key >> bit)) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET )

void lightLedsUp(uint8_t key) {
    HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, BIT_TO_PIN_VALUE(key, 3));
    HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, BIT_TO_PIN_VALUE(key, 2));
    HAL_GPIO_WritePin(LED3_GPIO_Port, LED3_Pin, BIT_TO_PIN_VALUE(key, 1));
    HAL_GPIO_WritePin(LED4_GPIO_Port, LED4_Pin, BIT_TO_PIN_VALUE(key, 0));
}

 

对于行扫描状态，进入该状态时，应该对行、列的I/O口进行设置。也即，在其enter() 实现中设置行I/O口为input模式，并启用其内部上拉电阻；列I/O为output模式，并输出0。其 loop() 实现则依次检测行I/O口是否读数为0，若读数为0，则表明该行有按键按下，记下行号，并离开本状态：

#define configInputPullUp(port, pin, GPIO_InitStruct) { \\
/*        HAL_GPIO_WritePin(port, pin, GPIO_PIN_RESET); */ \\
        (GPIO_InitStruct)->Pin = pin ; \\
        (GPIO_InitStruct)->Mode = GPIO_MODE_INPUT ; \\
        (GPIO_InitStruct)->Pull = GPIO_PULLUP ; \\
        (GPIO_InitStruct)->Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; \\
        HAL_GPIO_Init(port, GPIO_InitStruct) ; \\
}

#define configOutputLow(port, pin, GPIO_InitStruct) { \\
        (GPIO_InitStruct)->Pin = pin ; \\
        (GPIO_InitStruct)->Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP ; \\
        (GPIO_InitStruct)->Pull = GPIO_NOPULL ; \\
        (GPIO_InitStruct)->Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; \\
        HAL_GPIO_Init(port, GPIO_InitStruct) ; \\
        HAL_GPIO_WritePin(port, pin, GPIO_PIN_RESET);  \\
}

#define DEBOUNCE_DELAY 5

void rowScanningEnter() {

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

    // Row pins: input, pull-up enabled
    configInputPullUp(R1_GPIO_Port, R1_Pin, &GPIO_InitStruct);
    configInputPullUp(R2_GPIO_Port, R2_Pin, &GPIO_InitStruct);
    configInputPullUp(R3_GPIO_Port, R3_Pin, &GPIO_InitStruct);
    configInputPullUp(R4_GPIO_Port, R4_Pin, &GPIO_InitStruct);

    // Col pins: output 0
    configOutputLow(C1_GPIO_Port, C1_Pin, &GPIO_InitStruct);
    configOutputLow(C2_GPIO_Port, C2_Pin, &GPIO_InitStruct);
    configOutputLow(C3_GPIO_Port, C3_Pin, &GPIO_InitStruct);
    configOutputLow(C4_GPIO_Port, C4_Pin, &GPIO_InitStruct);

}

GPIO_PinState checkPressedLow(GPIO_TypeDef *port, uint16_t pin) {
    if (GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(port, pin)) {
        // Delay & read again
        HAL_Delay(DEBOUNCE_DELAY);
        return HAL_GPIO_ReadPin(port, pin);
    }

    return GPIO_PIN_SET;
}

uint8_t rowScanningLoop() {

    if (GPIO_PIN_RESET == checkPressedLow(R1_GPIO_Port, R1_Pin)) {
        key = 0;
        return App_LEAVE;
    }
    if (GPIO_PIN_RESET == checkPressedLow(R2_GPIO_Port, R2_Pin)) {
        key = 1 << 2;
        return App_LEAVE;
    }
    if (GPIO_PIN_RESET == checkPressedLow(R3_GPIO_Port, R3_Pin)) {
        key = 2 << 2;key
        return App_LEAVE;
    }
    if (GPIO_PIN_RESET == checkPressedLow(R4_GPIO_Port, R4_Pin)) {
        key = 3 << 2;
        return App_LEAVE;
    }

    return App_STAY;
}

 

注意，在读取pin值时，为了de-bouncing，增加了一个5ms的延时重读。一般，de-bouncing延时取5-10ms。

列扫描状态的实现与行扫描相类似，这里便不再给出代码了。需要说明的是，程序中使用了一个字节型全局变量 key 用来保存键值，其第2-3位为行号（0-3），第0-1位为列号（0-3），因此，key 的值为0-0x0F，依次对应16个按键。

而第三阶段无需改变I/O口设置，只需检测被按下按键所在的列是否读取pin值为1。读取pin值为1表明按键被松开，应该离开此状态，切换回行扫描状态：

uint8_t colScanningPressedLoop() {

    int col = 3 & key;

    if (0 == col) {
        if (GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(C1_GPIO_Port, C1_Pin)) {
            return App_LEAVE;
        }
    } else if (1 == col) {
        if (GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(C2_GPIO_Port, C2_Pin)) {
            return App_LEAVE;
        }
    } else if (2 == col) {
        if (GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(C3_GPIO_Port, C3_Pin)) {
            return App_LEAVE;
        }
    } else { // 3== col
        if (GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(C4_GPIO_Port, C4_Pin)) {
            return App_LEAVE;
        }
    }

    return App_STAY;
}