基于有限狀態(tài)機(jī)的STM32系統(tǒng)按鍵識(shí)別方法

唐 飛， 查長(zhǎng)禮

（安慶師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，安徽 安慶 246133）

0 引 言

按鍵是用戶與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行交互的常用設(shè)備，因其簡(jiǎn)單實(shí)用、成本低，因而得到了廣泛應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)因體積所限，一般使用非編碼按鍵，依靠程序識(shí)別按鍵的動(dòng)作和按鍵編碼。按鍵控制程序應(yīng)能夠管理按鍵按下、按鍵防抖、鍵值判別、按鍵彈起等任務(wù)，并識(shí)別單擊、雙擊、長(zhǎng)按、連發(fā)等按鍵模式。

當(dāng)今的嵌入式系統(tǒng)體積越來(lái)越小，需要實(shí)現(xiàn)一鍵多“能”，因此，識(shí)別按鍵的單擊、雙擊、長(zhǎng)按的功能也越來(lái)越受到重視。

1 按鍵的識(shí)別策略

嵌入式系統(tǒng)工作時(shí)，用戶使用按鍵的時(shí)間對(duì)于系統(tǒng)而言是隨機(jī)的，因此，系統(tǒng)需要采用一定的策略對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，以識(shí)別按鍵的動(dòng)作。常用按鍵掃描方法有以下幾種[1]。

1.1 程序延時(shí)掃描法

利用CPU的空閑時(shí)間不斷對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，直到檢測(cè)到按鍵動(dòng)作，轉(zhuǎn)去處理按鍵為止。此種方法簡(jiǎn)單易行，程序容易編寫，但CPU效率低，CPU繁忙時(shí)，按鍵不能得到及時(shí)響應(yīng)，實(shí)時(shí)性差。

1.2 外部中斷掃描法

按鍵按下時(shí)觸發(fā)中斷，CPU暫停當(dāng)前執(zhí)行程序，轉(zhuǎn)向處理按鍵，處理完畢再返回主程序運(yùn)行。此種方法CPU的利用率高，但占用了中斷系統(tǒng)資源，中斷系統(tǒng)發(fā)生沖突時(shí)不能及時(shí)響應(yīng)按鍵動(dòng)作。

1.3 定時(shí)器掃描法

借鑒了操作系統(tǒng)中時(shí)間片的思想，使用定時(shí)器每隔一定時(shí)間對(duì)包括按鍵在內(nèi)的各個(gè)任務(wù)進(jìn)行掃描，如按鍵動(dòng)作，則處理按鍵，否則執(zhí)行下一項(xiàng)任務(wù)。該方法CPU利用率高，各個(gè)任務(wù)劃分時(shí)間片輪流執(zhí)行，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)任務(wù)占用CPU時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成其它任務(wù)沒有響應(yīng)。

綜上所述，定時(shí)器掃描法在處理多任務(wù)時(shí)具有較大的優(yōu)勢(shì)，因此在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)優(yōu)先使用，同時(shí)，該方法還需要配合有限狀態(tài)機(jī)才能達(dá)到理想的效果。

2 基于狀態(tài)機(jī)的按鍵掃描方法

2.1 狀態(tài)機(jī)概述

有限狀態(tài)機(jī)（Finite－State Machine，F(xiàn)SM）或有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱狀態(tài)機(jī)，是表示有限個(gè)狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型[2]。有限狀態(tài)機(jī)的思想廣泛應(yīng)用于硬件控制電路設(shè)計(jì)，也是軟件上常用的一種處理方法。它把復(fù)雜的控制邏輯分解成有限個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在每個(gè)狀態(tài)上判斷事件，變連續(xù)處理為離散數(shù)字處理，符合計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn)。同時(shí)，有限狀態(tài)機(jī)具有有限個(gè)狀態(tài)，所以可以在實(shí)際的工程上實(shí)現(xiàn)。

有限狀態(tài)機(jī)可歸納為4個(gè)要素，即現(xiàn)態(tài)、條件、動(dòng)作、次態(tài)。現(xiàn)態(tài)和條件是事件起因，動(dòng)作和次態(tài)是最后的結(jié)果。當(dāng)條件被滿足時(shí)將會(huì)觸發(fā)做動(dòng)作，動(dòng)作執(zhí)行完畢后，可以遷移到新的狀態(tài)（次態(tài)），也可以保持原狀態(tài)。

依據(jù)有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系和轉(zhuǎn)移條件，可以把一個(gè)非常復(fù)雜的事件變成一個(gè)依據(jù)狀態(tài)編碼內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)移的多分支的結(jié)構(gòu)，很容易用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，把有限狀態(tài)機(jī)作為一種方法導(dǎo)入程序設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)程序?qū)α鞒毯托袨榈臏?zhǔn)確分析和表達(dá)，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性[3－7]。

2.2 按鍵模式和狀態(tài)分析

在嵌入式系統(tǒng)中，按鍵識(shí)別的任務(wù)是確定按鍵的鍵值和按鍵動(dòng)作模式。鍵值可由程序判別并分配，常用的按鍵模式分為單鍵模式和復(fù)鍵模式兩類。單鍵模式一次按鍵只輸出一個(gè)有效按鍵，而復(fù)鍵模式一次按鍵可以輸出多個(gè)有效按鍵，通常通過(guò)按鍵按下時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)區(qū)別。單鍵類一般有3種模式：琴鍵模式、單發(fā)模式和乒乓模式；復(fù)鍵類一般有長(zhǎng)按模式、連發(fā)模式和組合鍵模式[8]。具體區(qū)別見表1。

表1 按鍵模式分類

在STM32系統(tǒng)中，單發(fā)模式、長(zhǎng)按模式和連發(fā)模式較為常用，單發(fā)模式組合還可形成雙擊動(dòng)作。進(jìn)一步分析每一次的按鍵動(dòng)作，也可以看作一個(gè)狀態(tài)機(jī)，每次的擊鍵動(dòng)作使按鍵形成了彈起、抖動(dòng)、短按、長(zhǎng)按和釋放等狀態(tài)。當(dāng)按鍵按下之后觸發(fā)動(dòng)作，動(dòng)作執(zhí)行完畢之后按鍵遷移到新的狀態(tài)，直至最終確定按鍵的模式。按鍵的狀態(tài)遷移如圖1所示[9]。

圖1 按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

2.3 按鍵識(shí)別系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)中，基于Cortex－M3架構(gòu)的32位ARM處理器發(fā)展迅速，STM32微控制器是意法半導(dǎo)體（ST Microelectronics）公司推出的基于Cortex－M3內(nèi)核的系列微處理器，具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。因此，研究基于STM32的按鍵驅(qū)動(dòng)程序具有十分積極的意義[10]。

GPIO（General Purpose Input Output）是STM32的輸入、輸出設(shè)備，STM32提供了80個(gè)雙向GPIO口，分布在A～E這5個(gè)端口中。文中設(shè)按鍵接于GPIOA.0口，通過(guò)讀取GPIOA.0口的狀態(tài)即可檢測(cè)出按鍵的狀態(tài)。STM32的按鍵接口如圖2所示。

圖2 STM32的按鍵接口

根據(jù)上文分析，程序采用定時(shí)掃描法定時(shí)對(duì)按鍵進(jìn)行掃描。綜合考慮按鍵的響應(yīng)速度和其它任務(wù)需求，確定按鍵掃描時(shí)間為10ms。因此，需要使用STM32中的SysTick Timer進(jìn)行定時(shí)，配置相應(yīng)的時(shí)鐘，產(chǎn)生中斷標(biāo)志位，控制主程序每隔10ms掃描一次按鍵。

STM32通過(guò)GPIO口掃描按鍵主要有以下幾個(gè)步驟：

1）開啟所用端口的時(shí)鐘；

2）配置GPIOA.0口為上拉輸入模式；

3）配置SysTick時(shí)鐘，使之每10ms產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)志，控制對(duì)按鍵的掃描；

4）調(diào)用按鍵掃描函數(shù)掃描按鍵。

按鍵的每次擊鍵動(dòng)作可分為4個(gè)狀態(tài)，按鍵的動(dòng)作模式分為3種，分別見表2和表3。

表2 按鍵狀態(tài)表

表3 按鍵模式表

主程序調(diào)用函數(shù)KeyScan（）掃描按鍵，若按鍵動(dòng)作，則判明按鍵狀態(tài)，在動(dòng)作的觸發(fā)下完成按鍵狀態(tài)的遷移，返回按鍵動(dòng)作模式的類型。具體描述如下：

1）按鍵初始為彈起狀態(tài)，標(biāo)記為狀態(tài)0。每隔10ms主程序調(diào)用函數(shù)掃描按鍵，若GPIOA.0電平為1，則按鍵未按下，按鍵狀態(tài)保持在狀態(tài)0；若GPIOA.0電平為0，則按鍵按下，按鍵狀態(tài)遷移至防抖狀態(tài)。

2）按鍵進(jìn)入防抖狀態(tài)，標(biāo)記為狀態(tài)1。每隔10ms主程序再次掃描按鍵，若GPIOA.0電平為1，則上次得到的按鍵按下信息是由于抖動(dòng)或外界干擾造成的誤判，按鍵狀態(tài)返回狀態(tài)0；若GPIOA.0電平為0，表明按鍵確實(shí)按下，按鍵狀態(tài)遷移至短按狀態(tài)。

3）按鍵進(jìn)入短按狀態(tài)，標(biāo)記為狀態(tài)2，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)變量對(duì)按鍵按下的時(shí)間開始計(jì)數(shù)。每隔10ms主程序掃描一次按鍵，若GPIOA.0電平為1，則按鍵已經(jīng)彈起，按鍵狀態(tài)返回狀態(tài)0，同時(shí)返回按鍵動(dòng)作模式為單擊S；若GPIOA.0電平為0，表明按鍵持續(xù)按下，按鍵狀態(tài)保持在短按狀態(tài)，同時(shí)計(jì)數(shù)變量開始加1計(jì)數(shù)，若計(jì)時(shí)時(shí)間（計(jì)數(shù)值乘以10ms）大于1s而按鍵狀態(tài)仍維持在狀態(tài)2，表明按鍵動(dòng)作模式為長(zhǎng)按，按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)移至長(zhǎng)按狀態(tài)。

4）按鍵進(jìn)入長(zhǎng)按狀態(tài)，標(biāo)記為狀態(tài)3。每隔10ms主程序掃描一次按鍵，若GPIOA.0電平為1，則按鍵已經(jīng)彈起，按鍵狀態(tài)返回狀態(tài)0，此次長(zhǎng)按狀態(tài)結(jié)束，返回按鍵動(dòng)作模式為長(zhǎng)按L；若GPIOA.0電平為0，表明該長(zhǎng)按狀態(tài)持續(xù)，按鍵保持在長(zhǎng)按狀態(tài)3。

按鍵掃描的函數(shù)如下所示，返回按鍵模式類型。其中，變量Key存儲(chǔ)讀取的按鍵引腳電平，變量KeyState表示按鍵的狀態(tài)，變量KeyPress－Time記錄按鍵按下時(shí)的計(jì)數(shù)數(shù)值，計(jì)數(shù)值乘以10ms即為按鍵按下的時(shí)間，變量KeyPressStyle表示按鍵模式的類型。因變量KeyState和Key－PressTime在函數(shù)每次調(diào)用時(shí)需要保存上一次調(diào)用時(shí)的數(shù)值，因此將其設(shè)置為靜態(tài)變量。

＃define N 0＃define S 1＃define L 2＃define C 3＃define KEY＿ON 0

unsigned char KeyScan（）

｛

static unsigned char KeyState＝0，KeyPress－Time＝0；／／按鍵狀態(tài)，按鍵按下時(shí)間

unsigned char Key，KeyPressStyle；／／按鍵動(dòng)作模式

KeyPressStyle＝N；／／按鍵動(dòng)作模式初始化為未正常按

Key＝GPIO＿ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO＿Pin＿0）＝＝KEY＿ON／／檢測(cè)按鍵電平

switch（KeyState）

｛

case 0：／／彈起狀態(tài)

if（！Key）KeyState＝1；／／按鍵按下則轉(zhuǎn)移至狀態(tài)1 else KeyState＝0；／／按鍵彈起返回至狀態(tài)0

break；

case 1：／／防抖狀態(tài)

if（！Key）｛KeyState＝2；KeyPress－Time＝0；｝／／按鍵按下則轉(zhuǎn)移至狀態(tài)2，計(jì)時(shí)變量清零

else KeyState＝0；

break；

case 2：／／短按狀態(tài)

if（Key）｛KeyState＝0；KeyPressStyle＝S；｝／／按鍵彈起返回狀態(tài)0，按鍵動(dòng)作模式為單擊

else／／按鍵保持按下

｛

KeyPressTime＋＋；／／計(jì)數(shù)變量加1

if（KeyPressTime＞50）KeyState＝3；／／按鍵按下時(shí)間大于1秒，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至狀態(tài)3

｝

break；

case 3：／／長(zhǎng)按狀態(tài)

if（Key）KeyState＝0；／／按鍵彈起返回狀態(tài)0，按鍵動(dòng)作模式為長(zhǎng)按

else KeyPressStyle＝L；／／按鍵動(dòng)作模式為長(zhǎng)按

break；

｝

return KeyPressStyle；／／返回按鍵動(dòng)作模式

｝

該函數(shù)由定時(shí)器控制，每隔10ms執(zhí)行一次，每次執(zhí)行時(shí)讀取GPIOA.0口的電平，存儲(chǔ)在變量Key中，然后進(jìn)入由switch語(yǔ)句構(gòu)成的狀態(tài)機(jī)中，根據(jù)按鍵狀態(tài)變量KeyState和Key的數(shù)值，確定輸出的按鍵動(dòng)作類型KeyPressStyle和下一個(gè)狀態(tài)KeyState，返回給主調(diào)函數(shù)使用，返回值為0，表明按鍵無(wú)動(dòng)作，返回值為1，表明按鍵單擊動(dòng)作，返回值為2，表明按鍵長(zhǎng)按動(dòng)作。主程序中調(diào)用該函數(shù)，編寫程序即可實(shí)現(xiàn)按鍵的單擊、長(zhǎng)按、連發(fā)、雙擊等功能，極大地?cái)U(kuò)展了單個(gè)按鍵的作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

介紹了有限狀態(tài)機(jī)的原理和在嵌入式系統(tǒng)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的方法，并在此基礎(chǔ)上研究了基于定時(shí)器的按鍵掃描識(shí)別方法。將有限狀態(tài)機(jī)的思想引入按鍵識(shí)別的程序設(shè)計(jì)中，把按鍵過(guò)程劃分為多個(gè)狀態(tài)，以用戶的按鍵動(dòng)作驅(qū)動(dòng)在按鍵各個(gè)狀態(tài)之間的遷移，在STM32平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)按鍵單擊、長(zhǎng)按、連擊的判別，擴(kuò)展了單個(gè)按鍵的應(yīng)用。整個(gè)過(guò)程高效簡(jiǎn)潔，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提升了系統(tǒng)的可靠性，是一種適合工程實(shí)際應(yīng)用的方案。

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