基于統(tǒng)計溢出的矩陣鍵盤程序設(shè)計

張星，張睿智，郝琛，姚美菱

（石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能工程系，河北石家莊，050021）

0 引言

矩陣鍵盤模塊是工業(yè)電子產(chǎn)品常用的輸入設(shè)備，比如需要輸入簡單數(shù)字字符的快遞柜、存包柜等，如圖1所示，常見的矩陣鍵盤樣式有4×3（12 鍵）和4×4（16 鍵）的，鍵盤材質(zhì)有薄膜鍵盤型、直插按鍵型、ABS 外殼鍵盤型等。

圖1 多種材質(zhì)樣式的矩陣鍵盤

矩陣鍵盤由于按鍵機械特性及電路構(gòu)成結(jié)構(gòu)等原因，在按鍵按下及松開瞬間觸點電壓跳變會引起現(xiàn)按鍵自身及按鍵之間的電壓抖動，造成按鍵誤判錯誤輸入。按鍵輸入過程包括去除抖動和按鍵識別，去除抖動可以通過程序設(shè)計和硬件設(shè)計兩種方法實現(xiàn)。作者在設(shè)計快遞柜產(chǎn)品使用無硬件去抖的矩陣鍵盤時發(fā)現(xiàn)，采用順序掃描的按鍵識別方法，一定概率會出現(xiàn)按鍵誤判錯誤輸入，影響了使用者體驗，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)不同材質(zhì)樣式的矩陣鍵盤出現(xiàn)錯誤的概率也不同，塑料矩陣鍵盤按鍵時震動較大，出現(xiàn)誤判錯誤的概率高一些。

如圖2所示，智能快遞柜中使用矩陣鍵盤，用戶在通過按鍵輸入操作完成取件。通過矩陣鍵盤輸入的數(shù)字及字符在ST7920 液晶屏（12864 字庫型）上顯示，因快遞柜主控板使用的STM32 單片機主頻高，片上資源豐富，快遞柜系統(tǒng)任務(wù)占用不高，可以通過提高矩陣鍵盤占用單片機運行資源的方法減少按鍵誤判的概率，提高鍵盤輸入流暢度，改善用戶使用體驗。

圖2 矩陣鍵盤在智能快遞柜中的使用

1 矩陣鍵盤按鍵識別及抖動去除

4 行4 列式矩陣鍵盤的電路仿真原理如圖3所示，按鍵組成行列矩陣形式，水平方向的行線和垂直方向的列線，在兩條線交叉的地方?jīng)]有直接相連，通過1個機械按鍵控制交叉觸點的連接或斷開，4 行4 列式矩陣鍵盤能夠組合成16個按鍵輸入。

圖3 4×4矩陣鍵盤原理圖

矩陣鍵盤的行線和列線分別連接STM32 單片機的4個GPIO口，共計8 條線，如果是按鍵直連單片機GPIO口，16 鍵鍵盤需要占用16個GPIO口，將多占用1 倍IO 資源。顯然，使用矩陣鍵盤的優(yōu)勢是減少GPIO口的占用，但隨之而來的是造成按鍵識別難度增加，按鍵間的相互干擾增大，需要設(shè)計出相對復(fù)雜的識別及去抖程序。

（1）行列順序掃描按鍵識別法

行列順序掃描按鍵識別法的基本思路是，行線依次置零，按照列線順序讀取，當(dāng)列線讀到零，置零的行和讀到零的列交叉的位置就是被按下的按鍵。

首先將所有行列對應(yīng)的GPIO口設(shè)置為高電平，隨后將第1 行對應(yīng)GPIO口設(shè)置為低電平，依次讀取1 到4 列對應(yīng)GPIO口數(shù)據(jù)，如果列線GPIO口的數(shù)據(jù)等于零（相當(dāng)于低電平），表示第1 行當(dāng)前列有按鍵按下，所有行列對應(yīng)的GPIO口設(shè)置為高電平，程序跳出循環(huán)返回。如果沒有讀到數(shù)據(jù)零，則將2 行對應(yīng)GPIO 引腳設(shè)置為低電平，依次讀取1 到4 列對應(yīng)GPIO口數(shù)據(jù)，如果列線GPIO口的數(shù)據(jù)等于零，表示第2 行當(dāng)前列有按鍵按下，所有行列對應(yīng)的GPIO口設(shè)置為高電平，程序跳出循環(huán)返回。按照上面規(guī)則遍歷所有行線的所有列線找出可能的按鍵位置，將鍵值返回給主程序，主程序根據(jù)鍵值執(zhí)行相應(yīng)的處理操作。

使用矩陣鍵盤時，在按鍵按下及松開瞬間觸點電壓跳變會引起現(xiàn)按鍵自身及按鍵之間的電壓抖動，造成按鍵誤判引起輸入錯誤，所以需要在按鍵識別程序中加入去抖處理，如圖4所示，可以采用延時二次判斷的方法消除按鍵抖動影響，在第1 次按照行列順序掃描法檢測到有按鍵按下后，采用程序定時延時，讓單片機空閑10ms 后，再次掃描鍵盤判斷鍵盤狀態(tài)。若2 次判斷都是同一按鍵，則確定并返回該按鍵值，否則清除按鍵判定狀態(tài)，重新進行按鍵判定。

圖4 行列掃描軟件去抖流程圖

使用軟件定時延時會浪費單片機時間資源，如果單片機中斷資源豐富，可以給矩陣鍵盤輸入GPIO口設(shè)置中斷，減少延時造成的單片機時間占用；或者讓單片機運行實時系統(tǒng)，將按鍵掃描設(shè)計為系統(tǒng)任務(wù)也可減少單片機時間浪費。

（2）問題及改進

在快遞柜中使用塑料矩陣鍵盤實驗時，會出現(xiàn)小概率的錯誤輸入，分析原因發(fā)現(xiàn)，塑料鍵盤按鍵時震動較大，會引起相近觸點的較長時間的電壓變化，造成按鍵誤判。比如“A”鍵按下時，引起“6”“9”按鍵觸點電壓變化，按照順序判決規(guī)則，“6”“9”鍵判定次序在“A”鍵之間，假設(shè)“6”“9”鍵電壓變化持續(xù)時間超過去除抖動的延時時長，這時就產(chǎn)生誤判。如果增加軟件延時時間，能減少誤判概率，但會造成輸入遲滯、影響用戶體驗。

改進思路是，“6”“9”鍵的電壓變化由于按鍵“A”按下引起的，其電壓變化量和持續(xù)時間必然比按鍵“A”低，在一定時間內(nèi)進行多次判定，并對多次按鍵判定值統(tǒng)計，計數(shù)最高且溢出門限的鍵值作為最終按鍵判定，這種方法找出真正的按鍵“A”概率最高，誤判最少。單片機主頻高，IO 輸出速度快，單次按鍵判定的時間可以做到很小，從而既提高了識別準(zhǔn)確度，又減少了輸入響應(yīng)時間。

2 程序設(shè)計

基于統(tǒng)計溢出方法，根據(jù)STM32 單片機中斷、定時器資源優(yōu)化矩陣鍵盤識別去除抖動程序。

■2.1 程序流程

基于統(tǒng)計溢出的矩陣鍵盤按鍵識別程序流程如圖5所示，系統(tǒng)上電后，對STM32 單片機定時器、鍵盤GPIO、液晶屏GPIO 等設(shè)備進行初始化設(shè)置后進入主循環(huán)，定時器產(chǎn)生中斷后，檢測矩陣鍵盤狀態(tài)，統(tǒng)計按鍵值，主循環(huán)按鍵判斷程序根據(jù)按鍵統(tǒng)計值，做出按鍵判定，通過ST7920 液晶屏顯示鍵值并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

圖5 基于統(tǒng)計溢出的矩陣鍵盤按鍵識別流程圖

■2.2 程序?qū)崿F(xiàn)

系統(tǒng)軟件關(guān)鍵程序包括鍵盤初始化、定時器初始化、按鍵檢測等。

(1)矩陣鍵盤初始化程序

在key.c 文件中編寫矩陣鍵盤初始化程序。在KeyIO 結(jié)構(gòu)體數(shù)組中填寫8 組GPIO 引腳數(shù)據(jù){GPIO 引腳組和GPIO 引腳}，前4 組對應(yīng)矩陣鍵盤行線，后4 組對應(yīng)矩陣鍵盤列線。

typedef struct{GPIO_TypeDef* GPIOX; unsigned int GPIO_Pin;} KEYIO[2][4];

KEYIO KeyIO= {{{IO1引腳組,組內(nèi)序號},{IO2引腳組,組內(nèi)序號},...,{IO8 引腳組,組內(nèi)序號}}};

使用枚舉數(shù)組定義存儲GPIO 引腳可以使引腳調(diào)整更簡單，可根據(jù)STM32 開發(fā)板引出的GPIO 進行調(diào)整，引腳不需要在同一GPIO 引腳組，也不需要順序相鄰。

OverflowTimes = 50;

unsigned char Key_Times[17]= {0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};

Key_Times 數(shù)組用于存儲按鍵判定統(tǒng)計值，數(shù)組的1-16元素指對應(yīng)矩陣鍵盤的16個按鍵，數(shù)組17 元素對應(yīng)無輸入按鍵判定計數(shù)，OverflowTimes 是統(tǒng)計溢出門限參數(shù)，可根據(jù)屏幕響應(yīng)時間、系統(tǒng)負(fù)荷、實際使用體驗調(diào)整。

void KEYClock_Init(void){ RCC_APB2PeriphClock Cmd(RCC_APB2_GPIOX,ENABLE);}

KEYClock_Init()函數(shù)用于打開鍵盤GPIO 對應(yīng)的時鐘，RCC_APB2_GPIOX 要包括矩陣鍵盤所有GPIO 所在的引腳組。鍵盤GPIO 初始化函數(shù)KEY_Init()完成對矩陣鍵盤使用GPIO 初始化設(shè)置，其中4 條行線對應(yīng)GPIO 引腳設(shè)置為推挽輸出即GPIO_Mode_Out_PP，4 條列線對應(yīng)GPIO 引腳設(shè)置為上拉輸入即GPIO_Mode_IPU，GPIO 引腳速度均設(shè)置為50MHz 即GPIO_Speed_50MHz。

(2)定時器初始化及中斷處理程序

定時器初始化函數(shù)TIM4_Int_Init( )在timer.c文件中，使用TIM4 定時器，并設(shè)置中斷優(yōu)先級、時鐘分頻因子、定時量、計數(shù)模式、開啟定時器4 中斷。

定時器中斷處理TIM4_IRQHandler( )函數(shù)如下所示，在TIM4 中斷中完成軟件看門狗設(shè)置、息屏計數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志設(shè)置等。

void TIM4_IRQHandler(void) {

if (TIM_GetITStatus(TIM4, TIM_IT_Update) !=RESET) {

TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update); //定時器像清除標(biāo)志位

IWDG_Feed();//軟件看門狗設(shè)置

Idle_Time++;//息屏計數(shù)器KEY_Scan_Timer();

if(Idle_Time>1800){

global_state=0;

Idle_Time=0;

Idle_Run=0; } } }

基于定時器的矩陣鍵盤掃描判定統(tǒng)計KEY_Scan_Timer(void)函數(shù)如下所示，依次將行線設(shè)置為高電平，判斷可能的按鍵并計數(shù)統(tǒng)計。

void KEY_Scan_Timer(void){

unsigned char i,j,k;

extern unsigned char Key_Times[16];for(j = 0; j<4; j++){

Key_Times[16]++;//默認(rèn)無輸入，則Key_Times[16]加1

for(k = 0; k<4; k++) {

if(GPIO_ReadInputDataBit(KeyIO[1][k].GPIOX,KeyIO[1][k].GPIO_Pin)== 0){

Key_Times[j*4+k]++;//檢測列 列值為 i

Key_Times[16]--;} }//有按鍵則Key_Times[16]減1 GPIO_SetBits(KeyIO[0][j].GPIOX,KeyIO[0][j].GPIO_Pin); } }

(3)基于統(tǒng)計溢出的單鍵、長按鍵識別程序

找出判定次數(shù)最多的鍵值，如果該鍵統(tǒng)計值大于溢出門限，則最終判定本次輸入有效鍵值為該按鍵，如果本次有效按鍵和上一次按鍵相同，則RepeatKeyTimes 加1。在主程序循環(huán)中做長按鍵處理，如果本次有效按鍵和上一次按鍵相同3 次以上，則判定為長按鍵，執(zhí)行長按鍵并將RepeatKeyTimes 置零。

for(i = 0; i<17; i++){

課程目標(biāo)是體現(xiàn)課程理念、展現(xiàn)課程價值追求的核心部分，在經(jīng)歷活動實施過程中應(yīng)以幼兒的成長為核心，關(guān)注幼兒的體驗、情感、態(tài)度和綜合能力的發(fā)展，制定經(jīng)歷活動的總目標(biāo)。為了使活動目標(biāo)具有更強的指向性和導(dǎo)向性，使教師在具體的實施過程中能更準(zhǔn)確地把握教育目標(biāo)，可對總目標(biāo)進行分解和細(xì)化，同時，在設(shè)置經(jīng)歷活動總目標(biāo)的基礎(chǔ)上，針對大、中、小班幼兒的年齡特點、認(rèn)知水平、實踐能力，制定各個不同年齡段的具體目標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上確立各個經(jīng)歷活動目標(biāo)。利用三級目標(biāo)體系使經(jīng)歷活動目標(biāo)層次化，且不同層次目標(biāo)間具有一致性和聯(lián)系性，為教師的實踐操作提供落腳點和正確方向。

if( Key_Times[i]>FirstKeyTimes){

FirstKeyTimes=Key_Times[i];

FirstKeyNumber=i; }

if(FirstKeyTimes > OverflowTimes) {

if(FirstKeyNumber==LastKeyValue){

RepeatKeyTimes++; //長按判斷

}else{ RepeatKeyTimes=0; }

for(j = 0; j<17; j++){

Key_Times[j]=0;}LastKeyValue =FirstKeyNumber; } }

(4)基于統(tǒng)計溢出的組合鍵識別程序

找出判定次數(shù)前2 名的鍵值，如果排名第2的判定統(tǒng)計值大于溢出門限，且長時間按下，則最終判定本次輸入有效鍵值為雙鍵組合。

for(i = 0; i<17; i++){

if( Key_Times[i]>=FirstKeyTimes) {

SecondKeyTimes=FirstKeyTimes;

SecondKeyNumber=FirstKeyNumber;

FirstKeyTimes=Key_Times[i];

FirstKeyNumber=i; }

if( SecondKeyTimes > OverflowTimes){/*執(zhí)行雙鍵組合特殊操作*/ }

else if(FirstKeyTimes > OverflowTimes){

if(FirstKeyNumber==LastKeyValue){

RepeatKeyTimes++; } //長按

else { RepeatKeyTimes=0; }

for(j = 0; j<17; j++){

Key_Times[j]=0;}

LastKeyValue =FirstKeyNumber; } }

3 驗證

如圖6所示，在使用改進后的基于統(tǒng)計溢出的矩陣鍵盤按鍵識別程序后，快遞柜按鍵輸入流暢度明顯提升，得到較好的使用體驗評價。

圖6 快遞柜產(chǎn)品應(yīng)用

4 結(jié)語

本文針對行列掃描延時去抖法進行矩陣鍵盤按鍵識別時存在的按鍵誤判問題，使用基于統(tǒng)計溢出的按鍵識別方法改進程序設(shè)計，提高按鍵識別準(zhǔn)確率，降低按鍵誤判概率。在快遞柜產(chǎn)品的實際應(yīng)用中，鍵盤輸入流暢度提升，用戶使用體驗得到改善。