開(kāi)關(guān)檢測二三事：端口不足，濾波時(shí)間不同
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熟悉灑家寫(xiě)作風(fēng)格的朋友們都知道，灑家行文一向生動(dòng)活潑，甚而有時(shí)浮夸得沒(méi)個(gè)章法。但是，在這個(gè)全民戰疫的關(guān)鍵時(shí)刻，似乎任何的輕佻都是對前線(xiàn)戰士的不恭敬。故而，今天嚴肅緊張一把，跟大家開(kāi)門(mén)見(jiàn)山，講一講開(kāi)關(guān)檢測的問(wèn)題。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202003/411046.htm有的朋友可能會(huì )覺(jué)得，開(kāi)關(guān)檢測對于每一個(gè)嵌入式工程師來(lái)講都是入門(mén)級別的問(wèn)題，有什么好講的呢？好吧，對于你這種想法，我只能像春晚上曉明哥哥對祖兒妹妹講的那樣：
我不要你覺(jué)得，我要我覺(jué)得！
問(wèn)你三個(gè)問(wèn)題吧。第一，如果因為這樣或那樣的原因，您選用的MCU的IO口不夠，無(wú)法一一對應地處理那么多路開(kāi)關(guān)信號，你該咋個(gè)辦？
第二，如何區分開(kāi)關(guān)的“動(dòng)作”和“狀態(tài)”？按下和彈起的動(dòng)作一閃即逝，狀態(tài)卻長(cháng)期保持，怎么區分并處理？
第三，是關(guān)于大家耳熟能詳的濾波問(wèn)題，您可不要說(shuō)只需要進(jìn)行硬件濾波就夠了這種跌份的話(huà)哈。假設您的開(kāi)關(guān)信號性質(zhì)有所不同，它們需要的濾波時(shí)間也不一樣，你怎么以一種統一的方式去處理他們呢？
今天灑家和大家分享的就是關(guān)于這三個(gè)問(wèn)題的想法和解決方案。
一
要想逃避現實(shí)，最好的方式就是深深介入現實(shí)之中。
嵌入式工程師的日常工作不是在錦繡河山里做文章，而是在螺絲殼里做道場(chǎng)。在日復一日的工作中，工程師逐漸積累了豐富的實(shí)戰經(jīng)驗。比如硬件不夠可以用軟件來(lái)湊，內存不足可以犧牲實(shí)時(shí)性，以時(shí)間換空間。
那么，IO口不夠呢？
魯迅先生曾說(shuō)：“希望是本無(wú)所謂有，無(wú)所謂無(wú)的。這正如地上的路，其實(shí)地上本沒(méi)有路，走的人多了，也便成了路?！?/p>
勇敢的嵌入式工程師是遇山開(kāi)路、遇水搭橋的開(kāi)拓者，面對無(wú)路之境，自會(huì )以大無(wú)畏的霹靂手段趟出一條路來(lái)。IO口不夠，MCU又不能換（想一想老板那冷颼颼的目光），自然也會(huì )另辟蹊徑，柳暗花明，不至于山窮水復，找不到出路的。
聰明的小伙伴們應該已經(jīng)躍躍欲試，準備搶答了。不過(guò)，授人以魚(yú)不如授人以漁，在直接給出答案之前，大家可以先想一個(gè)問(wèn)題：為什么現在大家用的計算機，基本上沒(méi)有并口了呢？
在計算機剛剛出現的那個(gè)年代里，打印和繪圖是非常重要的應用。由于計算機速度的限制，串行傳輸速度相當有限，無(wú)法應對打印繪圖這種需要高速數據傳輸的應用，于是，并口大行其道數十載。說(shuō)句不怕暴露年齡的話(huà)，筆者剛上班時(shí)，單位的臺式機和筆記本都是有并口的。
當然，魚(yú)與熊掌不可兼得，并行傳輸也有其缺點(diǎn)，那就是需要的端口和線(xiàn)路遠高于串行傳輸，會(huì )消耗較高的電路板資源和軟件解析能力，所以，隨著(zhù)計算機和串行傳輸速度的提升，并口也開(kāi)始慢慢地退出了歷史的舞臺。
觸類(lèi)旁通，見(jiàn)微知著(zhù)，大家是不是品出來(lái)什么了？
對，在嵌入式設計中，一個(gè)MCU端口處理一路開(kāi)關(guān)信號是“并行處理方式”，類(lèi)比于計算機并口，需要消耗較多的端口。端口不夠的解決方案自然是“并行轉串行”，以串行的方式進(jìn)行開(kāi)關(guān)信號的檢測。
在具體的實(shí)現上，需要選擇“多路開(kāi)關(guān)檢測接口芯片”，這種芯片可以檢測多路開(kāi)關(guān)量輸入信號，并將檢測到的開(kāi)關(guān)狀態(tài)通過(guò)SPI發(fā)送給MCU。這種方式可以極大地節省MCU的IO口資源，比如說(shuō)檢測16路開(kāi)關(guān)，并行方式需要16個(gè)MCU IO端口，串行方式只需要一個(gè)SPI端口就可以了。
二
話(huà)不多說(shuō)，再來(lái)看第二個(gè)問(wèn)題：怎么區分開(kāi)關(guān)的“動(dòng)作”和“狀態(tài)”？
至于為什么要區分“動(dòng)作”和“狀態(tài)”。是因為在嵌入式產(chǎn)品中，有一種很常見(jiàn)的應用邏輯：開(kāi)關(guān)A、B、C處于閉合狀態(tài)且開(kāi)關(guān)D、E、F處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，按下或松開(kāi)開(kāi)關(guān)G，執行某個(gè)操作。
在這種邏輯里，“按下”和“松開(kāi)”是兩種動(dòng)作，“閉合”和“斷開(kāi)”是兩種狀態(tài)。用電路的知識來(lái)類(lèi)比的話(huà)，動(dòng)作是沿跳變，狀態(tài)是電平。
“動(dòng)作”是一閃即逝的花火，狀態(tài)是千年不變的承諾。我們做區分為的是，讓動(dòng)作“閱后即焚”，不至于成為反復觸發(fā)操作的脈搏。
為了說(shuō)明這一點(diǎn)，灑家跟大家分享一下自己設計的結構體和代碼實(shí)現，這部分也可以用在對第三個(gè)問(wèn)題的解答上。
typedef struct{
unsigned switch_state:1;
unsigned swon_event:1;
unsigned swoff_event:1;
unsigned cursw:1;
unsigned detect_cnt:4;
e_SwId switch_id;
}s_Switch;
在這個(gè)結構體的成員變量里面，switch_id標識開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，大家可以用“解釋性”很強的枚舉來(lái)表示它。這里的switch_state表示的是開(kāi)關(guān)信號的狀態(tài)，swon_event和swoff_event分別表示開(kāi)關(guān)從斷開(kāi)到閉合和從閉合到斷開(kāi)的變化，即上述的“動(dòng)作”。 cursw和detect_cnt用于開(kāi)關(guān)信號采集的軟件消抖功能。
為了同時(shí)檢測開(kāi)關(guān)狀態(tài)和動(dòng)作，可以設置一個(gè)10ms的周期定時(shí)器，周期性地對每個(gè)SWITCH_ID對應的開(kāi)關(guān)信號進(jìn)行檢測，具體實(shí)現為：
void SwDetect(e_SwId sw_id)
{
uint8_t filter_time;
filter_time = SW_DETECT_TIMES;
if(SWITCH_OFF == Sw[sw_id].switch_state){
if(IOVALID == Sw[sw_id].cursw){
if(Sw[sw_id].detect_cnt < filter_time){
Sw[sw_id].detect_cnt++;
}else{
Sw[sw_id].switch_state = SWITCH_ON;
Sw[sw_id].detect_cnt = 0;
Sw[sw_id].swon_event = 1;
}
}else{
Sw[sw_id].detect_cnt = 0;
}
}else{
if(IOINVALID == Sw[sw_id].cursw){
if(Sw[sw_id].detect_cnt < filter_time){
Sw[sw_id].detect_cnt++;
}else{
Sw[sw_id].switch_state = SWITCH_OFF;
Sw[sw_id].swoff_event = 1;
Sw[sw_id].detect_cnt = 0;
}
}else{
Sw[sw_id].detect_cnt = 0;
}
}
}
當開(kāi)關(guān)動(dòng)作發(fā)生時(shí)，swon_event和swoff_event置一，在執行完相關(guān)操作之后，將swon_event和swoff_event清零，就完成了讓動(dòng)作“閱后即焚”。
所以，上面那種根據某些開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和動(dòng)作執行相關(guān)操作的邏輯的具體實(shí)現為：
If(Switch[SWITCH_ID_1].swon_event == 1)
{
If(Switch[SWITCH_ID_2].switch_state == “ON”){
操作1；
}
Switch[SWITCH_ID_1].swon_event = 0；
}
三
下面接著(zhù)講第三個(gè)問(wèn)題：怎么應對不同的濾波時(shí)間？
正如上面講過(guò)的那樣，對于一般的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，設計一10ms的定時(shí)器周期性地讀取開(kāi)關(guān)當前狀態(tài)cursw，然后根據其維持當前狀態(tài)的周期次數（根據不同應用場(chǎng)景，可以設置為5次或者10次，分別對應50ms或100ms的濾波時(shí)間）以判斷switch_state、swon_event、swoff_event。
那么，對于那些特殊的開(kāi)關(guān)信號，也許需要采用較典型值長(cháng)或者短的消抖時(shí)間，我們只需要針對該開(kāi)關(guān)信號對應的那個(gè)SWITCH_ID表征的結構體變量，設置它的濾波次數filter_time（見(jiàn)上面那段程序）即可。
四
講到這里，有些不愛(ài)看代碼的同學(xué)可能模糊了，這里，幫人幫到底，灑家不惜筆墨，詳細開(kāi)展一番。
首先，設定一個(gè)10ms的定時(shí)器，在它的中斷服務(wù)程序里，執行開(kāi)關(guān)信號檢測。
對應在我們這里，可以認為它的中斷服務(wù)程序（ISR）執行的就是下面這個(gè)IoInputDetect函數。（需要說(shuō)明的是，一般情況下我們不會(huì )在中斷服務(wù)程序里執行這種耗時(shí)較長(cháng)的程序，這里只是為了方便大家理解）
void IoInputDetect(void)
{
e_SwId sw_idx;
ReadIoSwitch();
for(sw_idx = MIN_SWITCH;sw_idx < MAX_SWITCH;sw_idx++){
SwDetect(sw_idx);
}
}
這個(gè)函數里面，在ReadIoSwitch函數里面讀取每個(gè)開(kāi)關(guān)（以SWITCH_ID標識）的當前狀態(tài)，賦給其cursw，需要注意的是，這里的cursw表示的是當下這一刻的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，不是經(jīng)過(guò)濾波處理后的穩定開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
第二步：根據每個(gè)開(kāi)關(guān)的當前狀態(tài)cursw，判斷其穩定的開(kāi)關(guān)狀態(tài)switch_state、開(kāi)關(guān)動(dòng)作swon_event和swoff_event。即上面在for循環(huán)中執行的SwDetect函數。
SwDetect函數語(yǔ)句在第二節中，它的核心思想就是判斷開(kāi)關(guān)當前狀態(tài)cursw是否持續穩定在SWITCH_ON或者SWITCH_OFF狀態(tài)。當前的switch_state為ON的狀態(tài)下，如果持續filter_time個(gè)10ms，cursw一直為OFF狀態(tài)，則將switch_state賦為OFF狀態(tài)，同時(shí)，將swoff_event賦為1。反之亦然。
當濾波時(shí)間不同時(shí)，顯然只需要將該switch_id對應的開(kāi)關(guān)結構體的filter_time置為不同于典型值的特殊值即可。
后記
灑家在這篇文章里面分享的開(kāi)關(guān)檢測方法，不止適用于數字IO形式的開(kāi)關(guān)信號，還適用于其它信號。
比如通過(guò)RF方式接收的遙控信號，雖然是一種射頻性質(zhì)的信號，但是這種信號對應的是遙控器上的物理按鍵，它在邏輯上自然也等價(jià)于本文講的開(kāi)關(guān)信號，所以，可以用上述那個(gè)結構體和那些代碼判斷遙控信號，解析出某個(gè)遙控按鍵按下、松開(kāi)的動(dòng)作和狀態(tài)，同時(shí)對它進(jìn)行濾波處理。
再舉一反三，無(wú)論是RF信號、模擬信號、數字信號、網(wǎng)絡(luò )信號，只要該輸入信號在邏輯上可以等價(jià)于物理開(kāi)關(guān)，它就可以使用本文所述的方法處理。
你覺(jué)得呢？
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