第12章 GPIO输入—按键检测
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本章参考资料：《STM32F4xx参考手册》、库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》。
按键检测使用到GPIO外设的基本输入功能，本章中不再赘述GPIO外设的概念，如您忘记了，可重读前面"GPIO框图剖析"小节，STM32标准库中GPIO初始化结构体GPIO_TypeDef的定义与"定义引脚模式的枚举类型"小节中讲解的相同。
12.1 硬件设计
按键机械触点断开、闭合时，由于触点的弹性作用，按键开关不会马上稳定接通或一下子断开，使用按键时会产生图 121中的带波纹信号，需要用软件消抖处理滤波，不方便输入检测。本实验板连接的按键带硬件消抖功能，见图 122，它利用电容充放电的延时，消除了波纹，从而简化软件的处理，软件只需要直接检测引脚的电平即可。
图 121 按键抖动说明图
图 122 按键原理图
从按键的原理图可知，这些按键在没有被按下的时候，GPIO引脚的输入状态为低电平(按键所在的电路不通，引脚接地)，当按键按下时，GPIO引脚的输入状态为高电平(按键所在的电路导通，引脚接到电源)。只要我们检测引脚的输入电平，即可判断按键是否被按下。
若您使用的实验板按键的连接方式或引脚不一样，只需根据我们的工程修改引脚即可，程序的控制原理相同。
12.2 软件设计
同LED的工程，为了使工程更加有条理，我们把按键相关的代码独立分开存储，方便以后移植。在"工程模板"之上新建"bsp_key.c"及"bsp_key.h"文件，这些文件也可根据您的喜好命名，这些文件不属于STM32标准库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。
12.2.1 编程要点
1. 使能GPIO端口时钟；
2. 初始化GPIO目标引脚为输入模式(引脚默认电平受按键电路影响，浮空/上拉/下拉均没有区别)；
3. 编写简单测试程序，检测按键的状态，实现按键控制LED灯。
12.2.2 代码分析
1. 按键引脚宏定义
同样，在编写按键驱动时，也要考虑更改硬件环境的情况。我们把按键检测引脚相关的宏定义到"bsp_key.h"文件中，见代码清单 111。
代码清单 121 按键检测引脚相关的宏
1 //引脚定义
2 /*******************************************************/
3 #define KEY1_PIN GPIO_Pin_0
4 #define KEY1_GPIO_PORT GPIOA
5 #define KEY1_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOA
6
7 #define KEY2_PIN GPIO_Pin_13
8 #define KEY2_GPIO_PORT GPIOC
9 #define KEY2_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOC
10 /*******************************************************/
以上代码根据按键的硬件连接，把检测按键输入的GPIO端口、GPIO引脚号以及GPIO端口时钟封装起来了。
2. 按键 GPIO初始化函数
利用上面的宏，编写按键的初始化函数，见代码清单 122。
代码清单 122 按键GPIO初始化函数
1 /**
2 * @brief 配置按键用到的I/O口
3 * @param 无
4 * @retval 无
5 */
6 void Key_GPIO_Config(void)
7 {
8 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
9
10 /*开启按键GPIO口的时钟*/
11 RCC_AHB1PeriphClockCmd(KEY1_GPIO_CLK|KEY2_GPIO_CLK,ENABLE);
12
13 /*选择按键的引脚*/
14 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY1_PIN;
15
16 /*设置引脚为输入模式*/
17 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;
18
19 /*设置引脚不上拉也不下拉*/
20 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
21
22 /*使用上面的结构体初始化按键*/
23 GPIO_Init(KEY2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
24
25 /*选择按键的引脚*/
26 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY2_PIN;
27
28 /*使用上面的结构体初始化按键*/
29 GPIO_Init(KEY2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
30 }
同为GPIO的初始化函数，初始化的流程与"LED GPIO初始化函数"章节中的类似，主要区别是引脚的模式。函数执行流程如下：
(1) 使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量，以便下面用于存储GPIO配置。
(2) 调用库函数RCC_AHB1PeriphClockCmd来使能按键的GPIO端口时钟，调用时我们使用"|"操作同时配置两个按键的时钟。
(3) 向GPIO初始化结构体赋值，把引脚初始化成浮空输入模式，其中的GPIO_Pin使用宏"KEYx_PIN"来赋值，使函数的实现方便移植。由于引脚的默认电平受按键电路影响，所以设置成"浮空/上拉/下拉"模式均没有区别。
(4) 使用以上初始化结构体的配置，调用GPIO_Init函数向寄存器写入参数，完成GPIO的初始化，这里的GPIO端口使用"KEYx_GPIO_PORT"宏来赋值，也是为了程序移植方便。
(5) 使用同样的初始化结构体，只修改控制的引脚和端口，初始化其它按键检测时使用的GPIO引脚。
3. 检测按键的状态
初始化按键后，就可以通过检测对应引脚的电平来判断按键状态了，见代码清单 123。
代码清单 123 检测按键的状态
1 /** 按键按下标置宏
2 * 按键按下为高电平，设置 KEY_ON=1， KEY_OFF=0
3 * 若按键按下为低电平，把宏设置成KEY_ON=0 ，KEY_OFF=1 即可
4 */
5 #define KEY_ON 1
6 #define KEY_OFF 0
7
8 /**
9 * @brief 检测是否有按键按下
10 * @param GPIOx:具体的端口, x可以是（A...K）
11 * @param GPIO_PIN:具体的端口位，可以是GPIO_PIN_x（x可以是0...15）
12 * @retval 按键的状态
13 * @arg KEY_ON:按键按下
14 * @arg KEY_OFF:按键没按下
15 */
16 uint8_t Key_Scan(GPIO_TypeDef* GPIOx,uint16_t GPIO_Pin)
17 {
18 /*检测是否有按键按下 */
19 if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin) == KEY_ON ) {
20 /*等待按键释放 */
21 while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin) == KEY_ON);
22 return KEY_ON;
23 } else
24 return KEY_OFF;
25 }
在这里我们定义了一个Key_Scan函数用于扫描按键状态。GPIO引脚的输入电平可通过读取IDR寄存器对应的数据位来感知，而STM32标准库提供了库函数GPIO_ReadInputDataBit来获取位状态，该函数输入GPIO端口及引脚号，函数返回该引脚的电平状态，高电平返回1，低电平返回0。Key_Scan函数中以GPIO_ReadInputDataBit的返回值与自定义的宏"KEY_ON"对比，若检测到按键按下，则使用while循环持续检测按键状态，直到按键释放，按键释放后Key_Scan函数返回一个"KEY_ON"值；若没有检测到按键按下，则函数直接返回"KEY_OFF"。若按键的硬件没有做消抖处理，需要在这个Key_Scan函数中做软件滤波，防止波纹抖动引起误触发。
4. 主函数
接下来我们使用主函数编写按键检测流程，见代码清单 124。
代码清单 124 按键检测主函数
1 /**
2 * @brief 主函数
3 * @param 无
4 * @retval 无
5 */
6 int main(void)
7 {
8 /* LED 端口初始化 */
9 LED_GPIO_Config();
10
11 /*初始化按键*/
12 Key_GPIO_Config();
13
14 /* 轮询按键状态，若按键按下则反转LED */
15 while (1) {
16 if ( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_PIN) == KEY_ON ) {
17 /*LED1反转*/
18 LED1_TOGGLE;
19 }
20
21 if ( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_PIN) == KEY_ON ) {
22 /*LED2反转*/
23 LED2_TOGGLE;
24 }
25 }
26 }
代码中初始化LED灯及按键后，在while函数里不断调用Key_Scan函数，并判断其返回值，若返回值表示按键按下，则反转LED灯的状态。
12.2.3 下载验证
把编译好的程序下载到开发板并复位，按下按键可以控制LED灯亮、灭状态。
12.3 每课一问
1. 工程中的Key_Scan函数使用while循环来阻塞检测，等待按键释放，若按键一直被按下，会导致CPU无法进行其它操作，降低效率。尝试修改按键检测的方式，避免阻塞等待。