嵌入式系統智能鍵盤(pán)的軟件設計

引言

鍵盤(pán)是智能化測控系統主要的信息輸入方式，是實(shí)現人機對話(huà)的重要途徑，因此如何有效地控制鍵盤(pán)并為系統服務(wù)是每個(gè)設計者需要切實(shí)考慮的問(wèn)題。

嵌入式系統鍵盤(pán)軟件設計存在3方面問(wèn)題：軟件去抖動(dòng)、等待按鍵抬起和連擊處理。

1嵌入式系統鍵盤(pán)軟件設計的3個(gè)問(wèn)題

1.1軟件去抖動(dòng)問(wèn)題

一次完整按鍵過(guò)程的時(shí)序波形如圖1所示。當按鍵未被按下時(shí)，單片機端口輸入為通過(guò)上拉電阻獲得的高電平；按下時(shí)，端口接至地，端口輸入為低電平。當機械觸點(diǎn)斷開(kāi)、閉合時(shí)會(huì )有抖動(dòng)，這種抖動(dòng)對人來(lái)說(shuō)是感覺(jué)不到的，但對計算機來(lái)說(shuō)，則是完全可以感應到的。計算機處理的速度是us級，而機械抖動(dòng)的時(shí)間至少是ms級，對計算機而言，這已是漫長(cháng)的時(shí)間了。

為使單片機能正確地讀出端口的狀態(tài)，對每一次按鍵只作一次響應，這就必須考慮如何去除抖動(dòng)的問(wèn)題。嵌入式系統一般采用軟件延時(shí)去除抖動(dòng)。軟件延時(shí)去除抖動(dòng)其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是在單片機獲得端口有按鍵動(dòng)作時(shí)，不是立即認定按鍵開(kāi)關(guān)已被按下，而是延時(shí)10 ms或更長(cháng)一段時(shí)間后再次檢測端口，如果仍為動(dòng)作電平，則說(shuō)明按鍵開(kāi)關(guān)的確按下了，這實(shí)際上是避開(kāi)了按鍵按下時(shí)的抖動(dòng)時(shí)間；而在檢測到按鍵釋放后(端口為高)再延時(shí)5～10 ms，消除后沿的抖動(dòng)，然后再對鍵值處理。當然，實(shí)際應用中對按鍵的要求也是千差萬(wàn)別，要根據不同的需要來(lái)編制處理程序，但以上是軟件延時(shí)去除抖動(dòng)的基本原則。

1.2等待按鍵抬起問(wèn)題

單片機在查詢(xún)讀取按鍵時(shí)，不斷地掃描鍵盤(pán)，掃描到有鍵按下后，進(jìn)行鍵值處理。它并不等待鍵盤(pán)釋放再退出鍵盤(pán)程序，而是直接退出鍵盤(pán)程序，返回主程序繼續工作。計算機系統執行速度快，很快又一次執行到鍵盤(pán)程序，并再次檢測到鍵還處于按下的狀態(tài)，單片機還會(huì )去執行鍵值處理程序。這樣周而復始，按一次按鍵系統會(huì )執行相應處理程序很多次。而程序員的意圖一般是只執行一次，這就是等待按鍵抬起問(wèn)題。通常的解決辦法是，當按鍵抬起后再次按下才再次執行相應的處理程序，等待時(shí)間一般在幾百ms以上。通常在軟件編程中，當執行完相應處理程序后，要加一個(gè)非常大的延時(shí)函數，再向下執行。

對于軟件去抖動(dòng)問(wèn)題和等待按鍵抬起問(wèn)題，若采用軟件延時(shí)，會(huì )大大削弱系統的實(shí)時(shí)性；若采用中斷方式延時(shí)，會(huì )占用定時(shí)器，耗費了系統資源，且軟件的多任務(wù)編程會(huì )增大軟件設計的復雜度。

1.3連擊處理問(wèn)題

工業(yè)控制設備中有這樣一種鍵盤(pán)方案設計要求：如果長(cháng)時(shí)間按下同一個(gè)按鍵，表征有重復執行該鍵對應處理程序的需求。比如使用“+”和“-”二鍵控制顯示數值，要求按一次“+”鍵使顯示值加1，要求按一次“-”鍵使顯示值減1。如果按“+”鍵超過(guò)一定時(shí)間(如2 s)，則顯示值將很快地增加，即連擊處理，減號鍵也是如此。這樣就可以用很少的鍵完成多位數的輸人工作。

針對這3個(gè)問(wèn)題，本文給出一個(gè)解決方案。該軟件方案實(shí)現計數器自然去抖動(dòng)和等待按鍵抬起功能，而非采取延時(shí)等待的方法，同時(shí)實(shí)現了連擊處理。

2智能鍵盤(pán)的軟件設計

為了解決智能鍵盤(pán)在應用中的一些技術(shù)問(wèn)題，下面分析各種擊鍵類(lèi)型的軟件處理方法。

2.1短擊和長(cháng)擊區分的軟件設計

圖2為短擊／長(cháng)擊的示意圖。

軟件流程如下：

　?、俣x1個(gè)變量，KEY_Counter=按鍵閉合計數器。

　?、诙x1個(gè)常數，c_keyover_time=按鍵長(cháng)擊時(shí)間常數。

　?、鄱〞r(shí)檢測按鍵，當按鍵閉合時(shí)，KEY_Counter按一定的頻率遞增。

　?、墚擪EY_Counter≥c_keyover_time時(shí)，確認一次有效長(cháng)擊。

　?、莓敯存I釋放時(shí)，再判斷一次KEY_Counter，如果KEY_Counter

　　◆一般來(lái)說(shuō)，長(cháng)擊一旦被檢測到就立即執行；

　　◆當按鍵剛被按下時(shí)，系統無(wú)法預知本次擊鍵的時(shí)間長(cháng)度，所以短擊必須在釋放后再執行。

　?、蕻敯存I釋放后，KEY_Counter應當被清零。

2.2單擊和連擊的軟件識別

一般來(lái)說(shuō)，連擊和單擊是相伴隨的。事實(shí)上，連擊的本質(zhì)就是多次單擊。軟件流程如下：

　?、俣x1個(gè)變量，KEY_Counter=按鍵響應延時(shí)時(shí)間寄存器。

　?、诙x2個(gè)常數：

　　◆c_wobble_time=按鍵初按(消抖)延時(shí)(用來(lái)確定消抖時(shí)間，一般取4～20 ms)；

　　◆c_keyover_time=按鍵連按延時(shí)(用來(lái)確定連擊的響應頻率。比如，如果要每秒執行10次連擊，則這個(gè)參數=100 ms)。

　?、郯存I未閉合前，先令KEY_Counter=0。

　?、墚敯存I閉合時(shí)，KEY_Counter以一定的頻率加1。抖動(dòng)期間，若檢測到按鍵抬起，令KEY_Counter=0。當KEY_Counter=c_wobble_time時(shí)，抖動(dòng)時(shí)間已經(jīng)過(guò)去，即可先執行一次按鍵功能，此為首次單擊。之后，若按鍵一直處于閉合狀態(tài)，則進(jìn)入下一進(jìn)程。

　?、軰EY_Counter超過(guò)c_wobble_time，且按鍵一直閉合時(shí)，KEY_Counter仍以一定的頻率加1。當KEY_Counter=c_keyover_time時(shí)，KEY_Counter=0，形成一次長(cháng)擊。

　?、蕻斣俅纬霈FKEY_Counter=c_wobble_time時(shí)，即可再執行一次按鍵功能，此為連擊。

　?、呷绻存I一直閉合，就重復執行⑤～⑦三個(gè)步驟，直到按鍵釋放。

單擊／連擊示意圖如圖3所示。

本文以AVR單片機為例給出設計軟件。例程中4個(gè)按鍵分別連接到PD口的低4位(若按鈕更多，甚至是矩陣鍵盤(pán)也很好仿寫(xiě))。WINAVR20071221例程如下(假定連接按鍵的I／O口已經(jīng)成功地初始化)：

工程應用中隨著(zhù)主函數死循環(huán)中程序量的不同，需要調整3個(gè)參數。不過(guò)，該程序利用系統的嘀嗒定時(shí)中斷定時(shí)讀取，只需調整好一組參數。

上面的例程中要深入理解static的作用，即靜態(tài)變量會(huì )被分配一個(gè)內存固定、每次操作的值不會(huì )丟失、卻又被函數私有處理的類(lèi)似全局變量的變量。

結語(yǔ)

本文針對實(shí)時(shí)應用的嵌入式系統中智能鍵盤(pán)軟件設計的軟件去抖動(dòng)問(wèn)題、等待按鍵抬起問(wèn)題和連擊處理問(wèn)題，給出基于查詢(xún)結構的軟件解決方案。該方案不但能夠滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求，而且軟件直接調用，大大降低了系統開(kāi)發(fā)的難度。