MCU软件最佳实践——矩阵键盘驱动

1.矩阵键盘vs独立按键

在mcu应用开发过程中，独立按键比较常见，但是在需要的按键数比较多时，使用矩阵键盘则可以减少io占用，提高系统资源利用率。例如，某mcu项目要求有16个按钮，如果采用独立按键方案，则需要占用16个mcu引脚，如果采用4x4矩阵键盘，则只需要4+4个mcu引脚，节省了一倍io资源占用，如图所示。但是矩阵键盘也有其缺点，相较与独立按键，程序设计稍显复杂。
本文讨论矩阵键盘的工作原理，并提供了一种结构清晰、简单易用的矩阵键盘驱动程序。

2.矩阵键盘工作原理

如图所示，4x4矩阵键盘，连接到mcu的P2口8个pin，P2[3:0]为行线，P2[7:4]为列线。

当编程设置P2 = 0Xfe:
则P2.0被设置为0，即第一行所有按钮的一端接地，单片机通过检测P2的高四位，可以判断按下的按钮在哪一列。假如检测到P2 == 0Xee则是第一个按钮被按下，检测到P2 == 0Xde则是第二个按钮被按下,检测到P2 == be则是第三个按钮按下，检测P2 == 7e则是第四个按钮被按下。

当编程设置P2=0Xfd,P2=0Xfb,0Xff:
则以此类推，可分别判定第二行、第三行、第四行哪个按钮被按下。

矩阵键盘常见的检测程序，是逐行检测，即：

// 伪代码
void matrixkbd_scan()
{
	unsigned char t;
	// 检测第一行
	P2 = 0XFE;
	t = P2;
	if(t != 0xFE) // 说明第一行有按钮被按下
	{
		delay_10ms(); // 延时10ms，以防止抖动,避免误判断
		t = P2;
		if(t != 0XFE)
		{
			switch(t)
			{
			case 0xee:num = 0;break;
			case 0xde:num = 1;break;
			case 0xbe:num = 2;break;
			case 0xfe:num = 3;break;
			}
		}
		
	}
	//检测第二行
	P2 = 0XFD;
	...
	
	//检测第三行
	P2 = 0XFB;
	...
	
	//检测第四行
	P2 = 0XFF;
	...
}

上述代码的缺点：

1. 代码冗余，每一行的检测几乎是重复的代码；
2. 每检测一行都需要延时消除抖动，增加了延时，有可能漏检测

3.本文矩阵键盘驱动

3.1 实现思路

思路：
第一步：让行线全部为0，读取列线的值,存储在th中，这个值反映了当前按下按钮所在的列
第二步：让列线全部为0，读取行线的值,存储在tl中，这个值反映了当前按下按钮所在的行
第三步：将th和tl或操作，这个值反映了当前按下按钮的行和列。
例如：
让P2 = 0xf0，然后读取P2的值为0x70，则说明第四列有键按下
让P2 = 0X0F，然后读取P2的值为0x07，则说明第四行有键按下
或操作后，得到0x77，就是第四行第四列这个按钮的按键码

或操作后，得到0xff，说明没有键按下。可以作为判定是否有键按下的条件。

3.2 matrixkbd.c

/**
 * @file:  matrixkbd.c
 * @brief: 矩阵键盘驱动程序
 */
#include <reg52.h>
#include <stdio.h>
unsigned char key_no;
unsigned char flg_down;
unsigned char flg_up;

static unsigned char timer;
static unsigned stat = 1;
// 按键扫描
// 第一步：让行线全部为0，读取列线的值,存储在th中，这个值反映了当前按下按钮所在的列
// 第二步：让列线全部为0，读取行线的值,存储在tl中，这个值反映了当前按下按钮所在的行
// 第三步：将th和tl或操作，这个值反映了当前按下按钮的行和列。
static unsigned char keyfn()
{
	unsigned char th,tl;
	
	P2 = 0xf0;
	th = P2;
	P2 = 0x0f;
	tl = P2;
	return th | tl;
}

// 键值转换
static unsigned char decode(unsigned t)
{
	unsigned char key_no;
	switch(t)
	{
		case 0xee:key_no = 0;break;
		case 0xde:key_no = 1;break;
		case 0xbe:key_no = 2;break;
		case 0x7e:key_no = 3;break;
		case 0xed:key_no = 4;break;
		case 0xdd:key_no = 5;break;
		case 0xbd:key_no = 6;break;
		case 0x7d:key_no = 7;break;
		case 0xeb:key_no = 8;break;
		case 0xdb:key_no = 9;break;
		case 0xbb:key_no = 10;break;
		case 0x7b:key_no = 11;break;
		case 0xe7:key_no = 12;break;
		case 0xd7:key_no = 13;break;
		case 0xb7:key_no = 14;break;
		case 0x77:key_no = 15;break;
		default:key_no = 16;break;
	}
	return key_no;
}

// 外部调用：保证每10ms调用1次
void key_scan()
{
	unsigned char t;
	t = keyfn();
	if(t != 0xff)
	{
		if(timer < 1)
		{
			timer++;
			return;
		}
		if(stat == 1)
		{
			stat = 0;
			// keydown
			key_no = decode(t);
			flg_down = 1;
		}
	}
	else
	{
		if(timer > 0)
		{
			timer--;
			return;
		}
		if(stat == 0)
		{
			stat = 1;
			flg_up = 1;
		}
	}
}

3.3 对外接口matrixkbd.h

/**
 * @file: matrixkbd.h
 */
// 键盘模块
extern unsigned char key_no;
extern unsigned char flg_down;
extern unsigned char flg_up;
extern void key_scan();

4.实验

检测矩阵键盘事件；
按下和弹起时，串口打印输出键编号

4.1 定时器驱动

4.1.1 定时器驱动timer0.c

为了方便调用，采用时间触发方式，添加定时器驱动：

/**
 * @file: timer0.c
 * @brief: 产生10ms事件
 */
#include <reg52.h>
int systick;
unsigned char flg_10ms;
unsigned char flg_50ms;
unsigned char flg_sec;
void timer_init(unsigned char ms)
{
	TMOD = (TMOD & 0XF0);  // 模式0:13bit 定时器模式，最大计数值8192
	TH0 = (8192 - ms * 1000) / 32; // TH0的8位保存13bit初值的高8bit
	TL0 = (8192 - ms * 1000) % 32; // TL0的低5位用来存储13bit初值得低5bit
	
	TR0 = 1;
	
	ET0 = 1;
	EA = 1;
}


void timer_isr(void) interrupt 1
{
	TR0 = 0;
	timer_init(1);
	
	systick++;
	if(systick % 10 == 0)
	{
		flg_10ms = 1;
		if(systick % 50 == 0)
		{
			flg_50ms = 1;
			if(systick % 1000 == 0)
			{
				flg_sec = 1;
			}
		}
	}
}

4.1.2 定时器对外接口timer0.h

/**
 * @file:timer0.h
 */
// 定时器模块
extern unsigned char flg_10ms;
extern unsigned char flg_50ms;
extern unsigned char flg_sec;
extern void timer_init(unsigned char ms);

4.2 串口驱动

4.2.1 串口驱动实现uart.c

为了方便打印，查看调试信息，实现串口驱动程序：

/**
 * @file: uart.c
 * @brief: 串口驱动，波特率9600bps，10bit模式
 *
 */
#include <reg52.h>

void uart_init(void)
{
	SCON = 0X50; // 10bit 可变波特率模式
	
	//T1: SM1SM0=10,8bit auto reload,波特率9600bps
	TMOD = (TMOD & 0X0F) | (1 << 5);
	TH1 = TL1 = 0XFD;
	TR1 = 1;
	
	ES = 1;
	EA = 1;
	TI = 1; // start transmit if using putchar provided by c51 lib
}

void uart_isr(void) interrupt 4
{
	if(RI)
	{
		RI = 0;
	}
	if(TI)
	{
	}
}

4.2.2 串口驱动对外接口uart.h

/**
 * @file: uart.h
 */
// 串口模块
extern void uart_init(void);

4.3 主程序

主程序中：

1. 在后台按照驱动程序要求调用驱动：10ms为周期调用key_scan
2. 实时监测事件：flg_up,flg_down,flg_10ms

/**
 * @file: main.c
 * @brief: 主程序
 */
#include "uart.h"
#include "timer0.h"
#include "matrixkbd.h"
void main(void)
{
	timer_init(1);
	uart_init();
	while(1)
	{
		if(flg_10ms)
		{
			flg_10ms = 0;
			key_scan();
		}
		if(flg_down)
		{
			flg_down = 0;
			printf("key %bu pressed
",key_no);
		}
		if(flg_up)
		{
			flg_up = 0;
			printf("key %bu released
",key_no);
		}
	}
}