GPIO口的輸入功能-機(jī)械按鍵狀態(tài)的識(shí)別

硬件： 深圳標(biāo)航科技有限公司 暴風(fēng) 開發(fā)板

處理器:GD32F103VET6

開發(fā)環(huán)境：MDK(keil 5) + STM32CubeMX

1.1 GPIO口的輸入的作用

輸入，其意是指將處理器外部的邏輯信號(hào)0或者1輸入到處理器的內(nèi)部。輸入是每一個(gè)處理器的IO引腳的基本功能。利用處理器的輸入功能我們可以獲取外部電路的狀態(tài)，進(jìn)而做出進(jìn)一步的判斷。GPIO的輸入功能的典型應(yīng)用是獲取機(jī)械按鍵的狀態(tài)—判斷按鍵是按下還是彈起。

1.2 機(jī)械按鍵狀態(tài)的識(shí)別

1.2.1 機(jī)械按鍵電路的設(shè)計(jì)

按鍵有兩個(gè)狀態(tài)，一個(gè)是按下一個(gè)是彈起。通過巧妙的電路設(shè)計(jì)，會(huì)使得按鍵的按下與彈起時(shí)IO引腳的邏輯電平不一樣。通過GPIO引腳的輸入功能將這些邏輯電平輸入到內(nèi)部供處理器識(shí)別，由此可知按鍵是按下還是彈起，并做出進(jìn)一步的判斷。

下面我們先來討論按鍵電路的設(shè)計(jì)。常用的按鍵電路設(shè)計(jì)如圖1的(a)和(b)所示。

(a)

(b)

圖1 按鍵電路設(shè)計(jì)

先來看圖1的(a)圖，在(a)圖中，按鍵的一端接地，另一端接IO引腳，接IO引腳這一端通過一個(gè)電阻連接到高電平VCC(這種電阻叫上拉電阻)。在沒有按鍵按下時(shí)，由于處理器吸取的電流非常非常小，R1兩端可以認(rèn)為沒有電流流動(dòng)，所以它們兩邊電位一樣，也即IO引腳的電平跟VCC基本一樣，此時(shí)IO引腳端為高電平。當(dāng)按鍵按下后，IO引腳和地端相連，IO引腳直接變?yōu)榱说碗娖?。通過這個(gè)分析，我們得出圖1(a)按鍵電路的特點(diǎn)如下：

(1)沒有按鍵按下，IO引腳為高電平；

(2)有按鍵按下，IO引腳為低電平。

所以，如果處理器某個(gè)時(shí)候讀到這個(gè)引腳信號(hào)為0，說明此時(shí)按鍵按下了，如果讀到為1，說明按鍵沒有按下。

再來看圖1的(b)圖，圖1(b)中，按鍵一端接高電平，另一端接IO引腳，其中接IO引腳這一端通過一個(gè)電阻接到地(這種電阻叫下拉電阻)。圖1(b)按鍵電路的特點(diǎn)如下：

(1)沒有按鍵按下時(shí)，IO引腳為低電平；

(2)有按鍵按下時(shí)，IO引腳為高電平。

所以，如果處理器某個(gè)時(shí)候讀到這個(gè)引腳信號(hào)為1，說明此時(shí)按鍵按下了，如果讀到為0，說明按鍵沒有按下。

暴風(fēng)開發(fā)板的按鍵電路如圖2所示，可以看到，在標(biāo)航的暴風(fēng)開發(fā)板中特意將兩個(gè)按鍵分別按圖1的(a)和(b)來連接，以便讀者學(xué)習(xí)這兩種按鍵電路按鍵狀態(tài)的識(shí)別，這個(gè)設(shè)計(jì)比較人性化，可以照顧不同開發(fā)者的不同應(yīng)用場(chǎng)合。

圖2 暴風(fēng)開發(fā)板按鍵電路圖

圖2中要注意，此時(shí)電路設(shè)計(jì)沒有在PE2和PA0兩個(gè)引腳分別連一個(gè)電阻到VCC和地，所以我們得在GD32的內(nèi)部這兩個(gè)引腳這里分別使能這兩個(gè)電阻(GD32和STM32的每個(gè)IO引腳內(nèi)部都配有一對(duì)受控的上下拉電阻)。

1.2.2 機(jī)械按鍵狀態(tài)識(shí)別的思路設(shè)計(jì)

通常，我們都是設(shè)計(jì)一個(gè)函數(shù)來單獨(dú)判斷按鍵是否按下，這個(gè)按鍵函數(shù)的思路設(shè)計(jì)如下：

uint8_t Key_Scan(void)
{
   if(KEY0_Status == 0) || (WK_UP1_Status == 1)  //說明有按鍵按下了
   {
      if(KEY0_Status == 0)     return KEY0_Value;
      if(WK_UP1_Status == 1)  return WK_UP1_Value;
}
return KEY0_NO;
}

在函數(shù)Key_Scan中，我們先判斷KEY0的狀態(tài)是不是0或者WK_UP1的狀態(tài)是不是為1，如果KEY0的狀態(tài)是0或者WK_UP1的狀態(tài)是1，說明按鍵按下了，接下來進(jìn)行細(xì)分，看看是KEY0按下還是WK_UP1按下，并返回對(duì)應(yīng)的按鍵值。

對(duì)于Key_Scan函數(shù)的調(diào)用，我們可以在主函數(shù)中這樣調(diào)用

int main(void)
{
      uint8  keyvalue = 0;
    系統(tǒng)初始化；
      while(1)
      {
         keyvalue = Key_Scan();
         if(keyvalue == KEY0_Value) LED0 = ~LED0; // LED0狀態(tài)反轉(zhuǎn)
         if(keyvalue == WK_UP1_Value) LED1 = ~LED1;// LED1狀態(tài)反轉(zhuǎn)
    }
}

在主函數(shù)中，我們循環(huán)執(zhí)行按鍵掃描，如果發(fā)現(xiàn)按鍵掃描函數(shù)返回的是KEY0_Value，則將LED0的狀態(tài)反轉(zhuǎn)，如果返回的是WK_UP1_Value，則將LED1的狀態(tài)反轉(zhuǎn)?？偟膩碚f，我們是希望按下一次按鍵，對(duì)應(yīng)的LED的狀態(tài)就反轉(zhuǎn)。

上面這兩個(gè)函數(shù)的配合是否有問題呢？表面看來好像沒有問題，但是當(dāng)你用這個(gè)思路去完善程序并下載到開發(fā)板執(zhí)行的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)按鍵按下時(shí)，燈的狀態(tài)是不受控的，這個(gè)不受控的原因是什么呢？我們看一下整個(gè)執(zhí)行過程。

假設(shè)有按鍵KEY0按下，則整個(gè)過程為

①執(zhí)行語句“keyvalue = Key_Scan();”此時(shí)返回KEY0_Value，接著執(zhí)行判斷并使得LED0狀態(tài)反轉(zhuǎn)一次，這個(gè)過程持續(xù)時(shí)間非常短，1ms內(nèi)估計(jì)就能執(zhí)行完。

②又回來執(zhí)行語句“keyvalue = Key_Scan();”，此時(shí)由于按鍵仍然處于按下狀態(tài)(人為按下時(shí)，按鍵的按下狀態(tài)通常會(huì)超過100ms，典型的是600ms左右)，所以又會(huì)返回KEY0_Value，接著執(zhí)行判斷并使得LED0狀態(tài)又反轉(zhuǎn)一次。

注意，此時(shí)按鍵的狀態(tài)已經(jīng)變化兩次了，但是我們只是執(zhí)行一次按下而已!!!!!

繼續(xù)往下分析，你會(huì)發(fā)現(xiàn)按鍵按下一次時(shí)，這個(gè)判斷系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行多次返回，這是錯(cuò)誤的。錯(cuò)誤的原因在哪里呢？在Key_Scan這個(gè)函數(shù)中，這個(gè)函數(shù)里面只要KEY0_Status等于0，它就會(huì)返回一次KEY0_Value，所以我們需要加一個(gè)變量，用于描述按鍵的當(dāng)前狀態(tài)，如果當(dāng)前按鍵已經(jīng)按下了，則這里就不需要再次判斷了。由于這個(gè)變量描述按鍵的按下與彈起狀態(tài)，在Key_Scan執(zhí)行完后也不能釋放它的存儲(chǔ)空間，所以我們需要用static修飾它，此時(shí)的Key_Scan函數(shù)需要修改如下：

uint8_t Key_Scan(void)
{
   static  uint8_t  flag = 0; //flag =0說明當(dāng)前是彈起，=1說明是按下
   /*如果剛才是彈起但現(xiàn)在有按鍵按下則判斷是那個(gè)按鍵按下，同時(shí)將按鍵狀態(tài)置為1*/
   if((flag == 0)&&((KEY0_Status == 0) || (WK_UP1_Status == 1)))     {
      flag = 1;
      if(KEY0_Status == 0)     return KEY0_Value;
      if(WK_UP1_Status == 1)  return WK_UP1_Value;
}
return KEY0_NO;
}

將Key_Scan函數(shù)修改為上面的樣子后，解決了按下一次就執(zhí)行一次返回，避免了按下一次則返回多次的問題。但是它仍然是有重大缺陷的，因?yàn)槲覀儼聪乱淮伟存I后，flag被設(shè)置為1了，當(dāng)按鍵再次被按下時(shí)里面的按下判斷再也得不到執(zhí)行，也即剛剛修改后的函數(shù)只能判斷一次按鍵按下。要想將flag恢復(fù)為0，我們要在Key_Scan中增加彈起的語句，如果彈起了，將flag設(shè)置為0，則就可以解決多次按下后都能觸發(fā)判斷的問題了。增加判斷后的Key_Scan函數(shù)如下：

uint8_t Key_Scan(void)
{
   static  uint8_t  flag = 0; //flag =0說明當(dāng)前是彈起，=1說明是按下
   /*如果剛才是彈起但現(xiàn)在有按鍵按下則判斷是那個(gè)按鍵按下，同時(shí)將按鍵狀態(tài)置為1*/
   if((flag == 0)&&((KEY0_Status == 0) || (WK_UP1_Status == 1)))  
   {
      flag = 1;
      if(KEY0_Status == 0)     return KEY0_Value;

      if(WK_UP1_Status == 1)  return WK_UP1_Value;
}
/*如果剛才按鍵按下，現(xiàn)在彈起了，則設(shè)置flag=0*/
   if((flag == 1)&&((KEY0_Status == 1) && (WK_UP1_Status == 0)))     {
      flag = 0;
  }
  return KEY0_NO;
}

注意，按鍵彈起指的是所有按鍵的彈起，所以(KEY0_Status == 1) && (WK_UP1_Status == 0)這里要用邏輯與，體現(xiàn)出“而且”之意。

至此，機(jī)械按鍵狀態(tài)識(shí)別的關(guān)鍵問題就解決了。

1.2.3 機(jī)械按鍵的抖動(dòng)及其消除

雖然關(guān)鍵問題解決了，但還有一些細(xì)節(jié)要注意，這個(gè)細(xì)節(jié)就是按鍵的抖動(dòng)。

以圖3的按鍵電路為例，當(dāng)按鍵按下時(shí)，PE2引腳的電平狀態(tài)如圖4所示。

圖3 按鍵電路圖

圖4 按鍵按下過程

由圖4可見，按鍵按下時(shí)，PE2并不是馬上變?yōu)榈碗娖?，而是有一個(gè)漸變過程，而在彈起時(shí)也不是馬上變?yōu)楦唠娖?，它也有一個(gè)漸變過程。這些漸變過程我們叫做抖動(dòng)。在進(jìn)行按鍵的按下與彈起時(shí)，我們都要進(jìn)行抖動(dòng)的消除。消除的方法非常簡(jiǎn)單，就是延時(shí)。通常，抖動(dòng)持續(xù)的時(shí)間在10ms之內(nèi)，所有，我們只要進(jìn)行10ms的延時(shí)可以解決掉絕大部分機(jī)械按鍵的抖動(dòng)—如果解決不了，此時(shí)就要用示波器測(cè)一下你的按鍵按下與放開時(shí)的信號(hào)，看看具體的抖動(dòng)是多少，然后增加延時(shí)消除它，筆者就曾遇到過需要延時(shí)20ms的情況……

這個(gè)消抖的過程如下：

1、按下的消抖

if(按鍵按下)
{
   Delay(10ms);
   if(按鍵按下)
   {
      按鍵是真的按下，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；
    }
}

2、彈起的消抖

if(按鍵彈起)
{
Delay(10ms);
if(按鍵彈起)
{
按鍵是真的彈起了，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；
}
}

1.2.4 完整的按鍵判斷程序

加入消抖后，整個(gè)按鍵判斷的函數(shù)可以修改如下

uint8_t KEY_Scan(void)
{
      static  uint8_t  flag=0; //按鍵彈起為0，按下為1
      if(( flag == 0) && ((KEY0_Status == 0)||(WK_UP1_Status == 1)))
      {  
         /*按鍵剛剛處于彈起狀態(tài)，但現(xiàn)在有按下*/
         HAL_Delay(10);    //延時(shí)10ms,消除抖動(dòng)
         if((KEY0_Status == 0)||(WK_UP1_Status == 1))
         {  
            /*確實(shí)有按鍵按下*/
            flag = 1;   //按鍵為按下狀態(tài)
            if(KEY0_Status == 0)  return KEY0_Value;
            if(WK_UP1_Status == 1) return WK_UP1_Value;
         }  
      }
     if((flag == 1) && ((KEY0_Status == 1) && (WK_UP1_Status == 0)))
      {  
         /*按鍵處于彈起狀態(tài)而且剛才是按下狀態(tài)*/
         HAL_Delay(10);    //消除彈起抖動(dòng)
         if((KEY0_Status == 1) && (WK_UP1_Status == 0))

         {
            flag = 0;   //按鍵彈起了
         }  
      }
      return  KEY_NO;   //沒有按鍵按下返回KEY_NO
}

1.3 按鍵狀態(tài)判斷實(shí)驗(yàn)

下面我們通過一個(gè)例子來驗(yàn)證按鍵狀態(tài)的識(shí)別。

【例1】已知按鍵電路和LED電路如圖5所示，編寫程序?qū)崿F(xiàn)以下功能：

按下按鍵KEY0， LED0的狀態(tài)反轉(zhuǎn)；按下按鍵WK_UP1，LED1的狀態(tài)反轉(zhuǎn)。

圖5 按鍵電路和LED電路示意圖

【實(shí)現(xiàn)過程】

1.配置RCC的高速時(shí)鐘來自于外部晶體陶瓷晶振，并且設(shè)置HCLK的頻率為72Mhz。

2.設(shè)置調(diào)式方式為Serial Wire。

以上兩步不懂如何設(shè)置的可以回頭看一下【模塊一 GPIO口的輸出功能-LED的閃爍實(shí)驗(yàn)】這一部分的步驟介紹。

3.設(shè)置PE12、PE13引腳的工作模式為輸出，PE12的User Label選項(xiàng)為L(zhǎng)ED0，PE13的User Label設(shè)置為L(zhǎng)ED1，以使能更加直觀方便。另外，一開始我們將這兩盞LED燈都點(diǎn)亮，以方便觀察結(jié)果。PE12和PE13的設(shè)置結(jié)果如圖6所示。

圖6 PE12和PE13的設(shè)置過程

4.設(shè)置PE2和PA0為輸入。PE2引腳上拉電阻使能，PA0引腳下拉電阻使能。同時(shí)設(shè)置PE2的用戶標(biāo)號(hào)為KEY0，設(shè)置PA0引腳的標(biāo)號(hào)為WK_UP1,。PE2引腳的設(shè)置如圖7所示，PA0引腳的設(shè)置如圖8所示。

圖7 PE2引腳的設(shè)置結(jié)果示意圖

圖8 PA0引腳的設(shè)置

5.設(shè)置好后，給工程取名，同時(shí)選擇IDE，并生成工程代碼。

6.添加代碼。

①編寫按鍵識(shí)別的C語言文件，其內(nèi)容如圖9所示。

圖9 key.c中內(nèi)容示意圖

②在key.h中定義KEY0_Value等宏名，如圖10所示。

圖10 KEY0_Value等的定義示意圖

③修改主函數(shù)，其內(nèi)容如圖11所示。

圖11 主函數(shù)的內(nèi)容示意圖

在主函數(shù)中，注意要將頭文件key.h包含進(jìn)工程，如圖12所示。

至此，工程的代碼添加完畢，編譯后下載到開發(fā)板，按復(fù)位鍵，然后按KEY0或者WK_UP0，可以看到對(duì)應(yīng)的LED燈的狀態(tài)反轉(zhuǎn)，任務(wù)目標(biāo)完成。

1.4 按鍵識(shí)別實(shí)驗(yàn)用到的HAL庫(kù)的函數(shù)解讀

1.引腳電平反轉(zhuǎn)函數(shù) HAL_GPIO_TogglePin()

在主函數(shù)main的while循環(huán)中，我們使用到了函數(shù)HAL_GPIO_TogglePin，這個(gè)函數(shù)的相關(guān)信息為

●作用：將某個(gè)IO引腳的輸出電平反轉(zhuǎn)。比如要反轉(zhuǎn)PE12引腳的電平，我們可以采用如下的方式來調(diào)用該函數(shù)：

HAL_GPIO_TogglePin(GPIOE, GPIO_PIN_12);

●函數(shù)參數(shù)，有兩個(gè)，第一個(gè)用于指明要反轉(zhuǎn)信號(hào)的引腳位于第幾組GPIO口，第二個(gè)用于指明要反轉(zhuǎn)的是哪一個(gè)引腳的信號(hào)。

是不是很方便呢？

最后要注意，函數(shù)HAL_GPIO_TogglePin要使用于將IO引腳已經(jīng)配置為輸出的場(chǎng)合。

2.讀引腳信號(hào)函數(shù)HAL_GPIO_ReadPin()

在key.c函數(shù)中，有一個(gè)宏定義

#define KEY0_Status HAL_GPIO_ReadPin(KEY0_GPIO_Port, KEY0_Pin)

里面用到了一個(gè)函數(shù)HAL_GPIO_ReadPin，這個(gè)函數(shù)相關(guān)的信息如下：

●作用：讀取某個(gè)引腳的狀態(tài)。比如要讀取PA0的狀態(tài)，我們可以采用如下的方式來調(diào)用該函數(shù)

HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0)；

●函數(shù)參數(shù)，有兩個(gè)，第一個(gè)用于指明要讀取信號(hào)的引腳位于那組GPIO口，第二個(gè)參數(shù)用于指明是那個(gè)引腳。

注意，函數(shù)HAL_GPIO_ReadPin使用于IO引腳已經(jīng)設(shè)置為輸入的場(chǎng)合

1.5 GPIO輸入功能總結(jié)

在使用GD32/STM32的IO引腳時(shí)要注意以下兩點(diǎn)：

1.如果引腳外部沒有上拉電阻或者下拉電阻，則可能需要在引腳內(nèi)部使能上拉電阻或者下拉電阻。

2.對(duì)按鍵狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別時(shí)，一定要注意防止按下一次時(shí)有多次返回值。