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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的4個GPIO口，共計8 條線，如果是按鍵直連單片機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)時間資源，如果單片機(jī)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(jī)時間占用；或者讓單片機(jī)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(jī)時間浪費。

（2）問題及改進(jìn)

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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)定時器、鍵盤GPIO、液晶屏GPIO 等設(shè)備進(jìn)行初始化設(shè)置后進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。