嵌入式系統(tǒng)智能鍵盤的軟件設(shè)計(jì)

劉海成

(黑龍江工程學(xué)院 電子工程系,哈爾濱150050)

劉海成(講師),主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

引 言

鍵盤是智能化測控系統(tǒng)主要的信息輸入方式,是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的重要途徑,因此如何有效地控制鍵盤并為系統(tǒng)服務(wù)是每個(gè)設(shè)計(jì)者需要切實(shí)考慮的問題。

嵌入式系統(tǒng)鍵盤軟件設(shè)計(jì)存在3方面問題:軟件去抖動(dòng)、等待按鍵抬起和連擊處理。

1 嵌入式系統(tǒng)鍵盤軟件設(shè)計(jì)的3個(gè)問題

1.1 軟件去抖動(dòng)問題

圖1 按鍵過程時(shí)序波形

一次完整按鍵過程的時(shí)序波形如圖1所示。當(dāng)按鍵未被按下時(shí),單片機(jī)端口輸入為通過上拉電阻獲得的高電平;按下時(shí),端口接至地,端口輸入為低電平。當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)會(huì)有抖動(dòng),這種抖動(dòng)對(duì)人來說是感覺不到的,但對(duì)計(jì)算機(jī)來說,則是完全可以感應(yīng)到的。計(jì)算機(jī)處理的速度是μ s級(jí),而機(jī)械抖動(dòng)的時(shí)間至少是ms級(jí),對(duì)計(jì)算機(jī)而言,這已是漫長的時(shí)間了。

為使單片機(jī)能正確地讀出端口的狀態(tài),對(duì)每一次按鍵只作一次響應(yīng),這就必須考慮如何去除抖動(dòng)的問題。嵌入式系統(tǒng)一般采用軟件延時(shí)去除抖動(dòng)。軟件延時(shí)去除抖動(dòng)其實(shí)很簡單,就是在單片機(jī)獲得端口有按鍵動(dòng)作時(shí),不是立即認(rèn)定按鍵開關(guān)已被按下,而是延時(shí)10 ms或更長一段時(shí)間后再次檢測端口,如果仍為動(dòng)作電平,則說明按鍵開關(guān)的確按下了,這實(shí)際上是避開了按鍵按下時(shí)的抖動(dòng)時(shí)間;而在檢測到按鍵釋放后(端口為高)再延時(shí)5～10 ms,消除后沿的抖動(dòng),然后再對(duì)鍵值處理。當(dāng)然,實(shí)際應(yīng)用中對(duì)按鍵的要求也是千差萬別,要根據(jù)不同的需要來編制處理程序,但以上是軟件延時(shí)去除抖動(dòng)的基本原則。

1.2 等待按鍵抬起問題

單片機(jī)在查詢讀取按鍵時(shí),不斷地掃描鍵盤,掃描到有鍵按下后,進(jìn)行鍵值處理。它并不等待鍵盤釋放再退出鍵盤程序,而是直接退出鍵盤程序,返回主程序繼續(xù)工作。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行速度快,很快又一次執(zhí)行到鍵盤程序,并再次檢測到鍵還處于按下的狀態(tài),單片機(jī)還會(huì)去執(zhí)行鍵值處理程序。這樣周而復(fù)始,按一次按鍵系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行相應(yīng)處理程序很多次。而程序員的意圖一般是只執(zhí)行一次,這就是等待按鍵抬起問題。通常的解決辦法是,當(dāng)按鍵抬起后再次按下才再次執(zhí)行相應(yīng)的處理程序,等待時(shí)間一般在幾百ms以上。通常在軟件編程中,當(dāng)執(zhí)行完相應(yīng)處理程序后,要加一個(gè)非常大的延時(shí)函數(shù),再向下執(zhí)行。

對(duì)于軟件去抖動(dòng)問題和等待按鍵抬起問題,若采用軟件延時(shí),會(huì)大大削弱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性;若采用中斷方式延時(shí),會(huì)占用定時(shí)器,耗費(fèi)了系統(tǒng)資源,且軟件的多任務(wù)編程會(huì)增大軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

1.3 連擊處理問題

工業(yè)控制設(shè)備中有這樣一種鍵盤方案設(shè)計(jì)要求:如果長時(shí)間按下同一個(gè)按鍵,表征有重復(fù)執(zhí)行該鍵對(duì)應(yīng)處理程序的需求。比如使用“+”和“-”二鍵控制顯示數(shù)值,要求按一次“+”鍵使顯示值加1,要求按一次“-”鍵使顯示值減1。如果按“+”鍵超過一定時(shí)間(如2 s),則顯示值將很快地增加,即連擊處理,減號(hào)鍵也是如此。這樣就可以用很少的鍵完成多位數(shù)的輸入工作。

針對(duì)這3個(gè)問題,本文給出一個(gè)解決方案。該軟件方案實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器自然去抖動(dòng)和等待按鍵抬起功能,而非采取延時(shí)等待的方法,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了連擊處理。

2 智能鍵盤的軟件設(shè)計(jì)

為了解決智能鍵盤在應(yīng)用中的一些技術(shù)問題,下面分析各種擊鍵類型的軟件處理方法。

2.1 短擊和長擊區(qū)分的軟件設(shè)計(jì)

圖2為短擊/長擊的示意圖。

圖2 短擊/長擊示意圖

軟件流程如下:

①定義1個(gè)變量,KEY_Counter=按鍵閉合計(jì)數(shù)器。

②定義1個(gè)常數(shù),c_keyover_time=按鍵長擊時(shí)間常數(shù)。

③定時(shí)檢測按鍵,當(dāng)按鍵閉合時(shí),KEY_Counter按一定的頻率遞增。

④當(dāng)KEY_Counter≥c_keyover_time時(shí),確認(rèn)一次有效長擊。

⑤當(dāng)按鍵釋放時(shí),再判斷一次KEY_Counter,如果KEY_Counter＜c_keyover_time,則說明剛才釋放的那次擊鍵為“短擊”。需要指出的是,當(dāng)一個(gè)按鍵上同時(shí)支持短擊和長擊時(shí),二者的執(zhí)行時(shí)機(jī)是不同的:

◆一般來說,長擊一旦被檢測到就立即執(zhí)行;

◆當(dāng)按鍵剛被按下時(shí),系統(tǒng)無法預(yù)知本次擊鍵的時(shí)間長度,所以短擊必須在釋放后再執(zhí)行。

⑥當(dāng)按鍵釋放后,KEY_Counter應(yīng)當(dāng)被清零。

2.2 單擊和連擊的軟件識(shí)別

一般來說,連擊和單擊是相伴隨的。事實(shí)上,連擊的本質(zhì)就是多次單擊。軟件流程如下:

①定義1個(gè)變量,KEY_Counter=按鍵響應(yīng)延時(shí)時(shí)間寄存器。

②定義2個(gè)常數(shù):

◆c_wobble_time=按鍵初按(消抖)延時(shí)(用來確定消抖時(shí)間,一般取4～20 ms);

◆c_keyover_time=按鍵連按延時(shí)(用來確定連擊的響應(yīng)頻率。比如,如果要每秒執(zhí)行10次連擊,則這個(gè)參數(shù)=100 ms)。

③按鍵未閉合前,先令KEY_Counter=0。

④當(dāng)按鍵閉合時(shí),KEY_Counter以一定的頻率加1。抖動(dòng)期間,若檢測到按鍵抬起,令KEY_Counter=0。當(dāng)KEY_Counter=c_wobble_time時(shí),抖動(dòng)時(shí)間已經(jīng)過去,即可先執(zhí)行一次按鍵功能,此為首次單擊。之后,若按鍵一直處于閉合狀態(tài),則進(jìn)入下一進(jìn)程。

⑤KEY_Counter超過c_wobble_time,且按鍵一直閉合時(shí),KEY_Counter仍以一定的頻率加1。當(dāng)KEY_Counter=c_keyover_time時(shí),KEY_Counter=0,形成一次長擊。

⑥當(dāng)再次出現(xiàn)KEY_Counter=c_wobble_time時(shí),即可再執(zhí)行一次按鍵功能,此為連擊。

⑦如果按鍵一直閉合,就重復(fù)執(zhí)行⑤～⑦三個(gè)步驟,直到按鍵釋放。

單擊/連擊示意圖如圖3所示。

圖3 單擊/連擊示意圖

本文以AVR單片機(jī)為例給出設(shè)計(jì)軟件。例程中4個(gè)按鍵分別連接到PD口的低4位(若按鈕更多,甚至是矩陣鍵盤也很好仿寫)。WINAVR20071221例程如下(假定連接按鍵的I/O口已經(jīng)成功地初始化):

工程應(yīng)用中隨著主函數(shù)死循環(huán)中程序量的不同,需要調(diào)整3個(gè)參數(shù)。不過,該程序利用系統(tǒng)的嘀嗒定時(shí)中斷定時(shí)讀取,只需調(diào)整好一組參數(shù)。

上面的例程中要深入理解static的作用,即靜態(tài)變量會(huì)被分配一個(gè)內(nèi)存固定、每次操作的值不會(huì)丟失、卻又被函數(shù)私有處理的類似全局變量的變量。

結(jié) 語

本文針對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)中智能鍵盤軟件設(shè)計(jì)的軟件去抖動(dòng)問題、等待按鍵抬起問題和連擊處理問題,給出基于查詢結(jié)構(gòu)的軟件解決方案。該方案不但能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,而且軟件直接調(diào)用,大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度。

[1]劉海成.AVR單片機(jī)原理及測控工程應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008:59-66.

[2]何道剛,等.智能化鍵盤的設(shè)計(jì)及其在便攜式產(chǎn)品中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2002(1).