非阻塞實現高效鍵盤掃描功能（STM32F4XX）

概述

1 原理分析

1.1 技術背景

1.2 系統硬件

1.3 STM32 IO（輸入模式）寄存器分析

1.3.1 輸入IO的功能描述

1.3.2 輸入配置

1.3.3 GPIO 寄存器（輸入模式相關）

1.3.3.1 GPIO 端口模式寄存器

1.3.3.2 GPIO 端口上拉/下拉寄存器

1.3.3.3 GPIO 端口輸入數據寄存器

1.4 外設時鐘使能寄存器

2 軟件實現

2.1 使用STM32CubeMX創建工程

2.2 認識Hal庫中和IO相關的函數

2.3 實現代碼

2.3.1 定義一個Key相關的數據結構

2.3.2 初始化函數

2.3.3 按鍵掃描函數

2.3.4 使用鍵值

3 測試

3.1 編寫測試代碼

3.2 測試

源代碼下載地址：

使用SM32-F4實現非阻塞方式，讀取按鍵值資源-CSDN文庫

概述

? ? ? ? 本文主要介紹如何使用非阻塞方式，實現多個按鍵掃描功能，能準確判斷按鍵的狀態。還詳細介紹STM32 F4系列芯片IO相關的寄存器，已經Hal庫中和IO相關的接口函數。重點講解非阻塞高效鍵盤掃描功能的代碼實現邏輯。

1 原理分析

1.1 技術背景

? ? ? ? 在一個系統程序中，一般希望程序運行盡可能的快，這樣MCU才可能經可能多的執行邏輯，或者處理數據。Windows /Linux系統中引入線程和進程來解決這個問題。在單線程系統（單片機程序：主程序main中一個while循環）中，也可以模擬多線程的方式，把阻塞執行的代碼，使用時間片來輪詢來執行。以提高代碼運行的效率。

掃描鍵盤功能就明顯有這類任務的特征，本文就是采用系統定時器產生時間片，實現一個非阻塞任務方式，掃描鍵盤中的按鍵，并判斷鍵值是否有效。

1.2 系統硬件

電路分析：

系統有8個獨立按鍵，每個獨立按鍵一個端口與一個MCU的一個IO相連，且與MCU IO相連的這個端口，接了一個上拉電阻，其目的，保持IO輸入口電平的穩定性。按鍵的另一個端口與GND連接，當按鍵按下之后，MCU IO會檢測到低電平信號。

1.3 STM32 IO（輸入模式）寄存器分析

要使用MCU IO控制外圍設備，就需要對IO模塊有一個清晰的認識，這樣才能正確的使用它，下面來分析STM32 IO模塊的特性。筆者使用的芯片型號是STM32F407IGT6，所以，本文STM32F4xx用戶手冊為例來介紹其IO的使用方法。由于，STM32 IO的功能比較復雜，這里只介紹將其配置為輸入IO時，該如何使用。

1.3.1 輸入IO的功能描述

根據數據手冊中列出的每個 I/O 端口的特性，可通過軟件將通用 I/O (GPIO) 端口的各個端口位分別配置輸入模式時，有如下3種方式配置：

● 輸入浮空

● 輸入上拉

● 輸入下拉

1.3.2 輸入配置

對 I/O 端口進行編程作為輸入時：

● 輸出緩沖器被關閉

● 施密特觸發器輸入被打開

● 根據 GPIOx_PUPDR 寄存器中的值決定是否打開上拉和下拉電阻

● 輸入數據寄存器每隔 1 個 AHB1 時鐘周期對 I/O 引腳上的數據進行一次采樣

● 對輸入數據寄存器的讀訪問可獲取 I/O 狀

1.3.3 GPIO 寄存器（輸入模式相關）

1.3.3.1 GPIO 端口模式寄存器

每一組GPIO有個 GPIOx_MODER 端口模式寄存器, 該寄存器一共有32個bit, 每兩個bit控制一組IO下的一個pin引腳的模式狀態。

MODERy[1:0]：端口 x 配置位 (Port x configuration bits) (y = 0..15)。這些位通過軟件寫入，用于配置 I/O 方向模式。

00：輸入（復位狀態）

01：通用輸出模式

10：復用功能模式

11：模擬模式

舉個例子：配置GPIOI_PIN7為輸入引腳，需要寫MODER7[1:0] = 00

1.3.3.2 GPIO 端口上拉/下拉寄存器

每一組GPIO有個 (GPIOx_PUPDR) 上拉/下拉寄存器, 該寄存器一共有32個bit, 每2個bit控制一組IO下的一個pin引腳的上拉/下拉狀態。

PUPDRy[1:0]：端口 x 配置位 (Port x configuration bits) (y = 0..15),這些位通過軟件寫入，用于配置 I/O 上拉或下拉。

00：無上拉或下拉

01：上拉

10：下拉

11：保留

1.3.3.3 GPIO 端口輸入數據寄存器

每一組GPIO有個 (GPIOx_IDR) 輸入數據寄存器 , 該寄存器一共有32個bit, 每1個bit表示對應端口輸入的值。因為stm32每一組IO有16個端口，所以，使用bit0~bit15,存儲輸入的bit值，bit-16~bit-31保留

IDRy[15:0]：端口輸入數據 (Port input data) (y = 0..15) 這些位為只讀形式，只能在字模式下訪問。它們包含相應 I/O 端口的輸入值。

1.4 外設時鐘使能寄存器

這個寄存器主要用來打開或者關閉所使用的外設功能，STM32F407有3個外設時鐘使能寄存器，本文僅介紹和IO相關的 RCC_AHB1ENR ，其定義如下：

在上圖中可以看見，和IO相關的時鐘使能bit位分布在bit0~bit8，要使用那個端口，只需將對應的位置1，就可以使能該對應位的時鐘。

2 軟件實現

2.1 使用STM32CubeMX創建工程

1）打開STM32CubeMX創建工程，然后在GPIO選項卡中，配置和KEY-IO相關的參數。

2）完成參數配置后，點擊GENERATE CODE,生成工程文件。

2.2 認識Hal庫中和IO相關的函數

1） HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)

功能：用于初始化GPIO的屬性，在STM32CubeMX中配置IO屬性后，該函數會在IO初始代碼中調用。這部分代碼會由STM32CubeMX自動生成。

2） PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin）

功能：讀取IO_PIN的值

函數參數：

GPIOx： GPIO組（A,B,C...）

GPIO_Pin: GPIO組下的那個引腳（0~15）

返回值：讀到IO pin 的值

3） HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)

功能：寫IO_PIN的值

函數參數：

GPIOx： GPIO組（A,B,C...）

GPIO_Pin: GPIO組下的那個引腳（0~15）

PinState：要寫的狀態（0 or 1）

4） HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

功能：觸發IO_Pin電平變化

函數參數：

GPIOx： GPIO組（A,B,C...）

GPIO_Pin: GPIO組下的那個引腳（0~15）

5）HAL_GPIO_LockPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

功能：鎖存當前IO_Pin的值，reset時，該IO的電平不會發生變化

函數參數：

GPIOx： GPIO組（A,B,C...）

GPIO_Pin: GPIO組下的那個引腳（0~15）

6）HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint16_t GPIO_Pin)

功能：當前IO_Pin的中斷函數

函數參數：

GPIO_Pin: GPIO組下的那個引腳（0~15）

7）HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)

功能: 中斷函數的回調函數，HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler中會調用該函數，且這個函數函數為weak類型，用戶可重新寫它。

2.3 實現代碼

源代碼下載地址：?使用SM32-F4實現非阻塞方式，讀取按鍵值資源-CSDN文庫

2.3.1 定義一個Key相關的數據結構

定義一個數據結構，由于操作和key相關的狀態控制。

typedef struct
{uint8 (*KeyActFunc)(void); ? 
?uint8 ?Count;uint8 ?State;uint8 ?DownState;uint8 ?ReleaseState;
}KeyAct_Stru;

2.3.2 初始化函數

1）在該段函數中，21~29 行，實現IO狀態讀取函數，當按鍵被按下后，返回值為1, 否則返回值為0

2）44~52行，注冊按鍵觸發函數

源代碼

static KeyAct_Stru s_tBtn[KEY_TOTAL];static unsigned char IsKey_1_Down(void)      {if ((KEY_1_GPIO_Port->IDR & KEY_1_Pin) == 0)         return 1;else return 0;}
static unsigned char IsKey_2_Down(void)      {if ((KEY_2_GPIO_Port->IDR & KEY_2_Pin) == 0)         return 1;else return 0;}
static unsigned char IsKey_3_Down(void)      {if ((KEY_3_GPIO_Port->IDR & KEY_3_Pin) == 0)         return 1;else return 0;}static unsigned char IsKey_up_Down(void)     {if ((KEY_UP_GPIO_Port->IDR & KEY_UP_Pin) == 0)       return 1;else return 0;}
static unsigned char IsKey_down_Down(void)   {if ((KEY_DOWN_GPIO_Port->IDR & KEY_DOWN_Pin) == 0)   return 1;else return 0;}
static unsigned char IsKey_left_Down(void)   {if ((KEY_LEFT_GPIO_Port->IDR & KEY_LEFT_Pin) == 0)   return 1;else return 0;}
static unsigned char IsKey_right_Down(void)  {if ((KEY_RIGHT_GPIO_Port->IDR & KEY_RIGHT_Pin) == 0) return 1;else return 0;}
static unsigned char IsKey_ok_Down(void)     {if ((KEY_OK_GPIO_Port->IDR & KEY_OK_Pin) == 0)       return 1;else return 0;}void bsp_KeyInit( void )
{int i = 0;KeyAct_Stru *pBtn;for( i =0; i < KEY_TOTAL; i++ ){pBtn = &s_tBtn[i];memset( pBtn, sizeof(KeyAct_Stru), 0 );}s_tBtn[0].KeyActFunc = IsKey_1_Down;s_tBtn[1].KeyActFunc = IsKey_2_Down;s_tBtn[2].KeyActFunc = IsKey_3_Down;s_tBtn[3].KeyActFunc = IsKey_up_Down;s_tBtn[4].KeyActFunc = IsKey_down_Down;s_tBtn[5].KeyActFunc = IsKey_left_Down;s_tBtn[6].KeyActFunc = IsKey_right_Down;s_tBtn[7].KeyActFunc = IsKey_ok_Down;
}

2.3.3 按鍵掃描函數

實現邏輯如下： 1）當按鍵被按下后，檢測計數器開始工作（63~75行），bsp_KeyScan（）的運行周期是1ms，當count值累加到門限值時，按鍵按下的狀態沒有改變，說明按鍵值有效。

2）檢測按鍵彈起:

step-1: 檢測按下標記為是否有效，如果該位有效，說明按鍵被按下過。

step-2：計數器開始工作，當計數器的值到達門限值后，彈起狀態有效，置位彈起標記。

3）鍵值位（102~108行）

檢測按下確認狀態位和彈起確認狀態位。當二者都有效時，存儲的鍵值有效。

源代碼

void bsp_KeyScan( unsigned char index )
{KeyAct_Stru *pBtn;pBtn = &s_tBtn[index];	if( pBtn->KeyActFunc() ) {// key first pressed if( pBtn->Count < KEY_FILTER_MAX_TIME ){pBtn->Count  = KEY_FILTER_MAX_TIME;}else if( pBtn->Count < KEY_FILTER_NEXT_TIME ) {pBtn->Count++;}else{// confirm:  key is presssed if( !pBtn->DownState ) {pBtn->DownState = 1;}pBtn->Count = 0;}}else{if( pBtn->DownState ){if( pBtn->Count > KEY_FILTER_MAX_TIME ) {pBtn->Count = KEY_FILTER_MAX_TIME;}else if(  pBtn->Count > 0){pBtn->Count--;}else{//confirm: key is released  if( !pBtn->ReleaseState ) {pBtn->ReleaseState = 1;}}}}// confirm key press action if( pBtn->ReleaseState && pBtn->DownState ){printf(" KEY-%d is pressed!\r\n", index);pBtn->State = 1;pBtn->ReleaseState = 0;pBtn->DownState = 0;}	
}

2.3.4 使用鍵值

1）bsp_KeyMonitor

按鍵掃描函數，該函數必須放在一個以1ms為間隙掃描的任務里，其會周期性的掃描所有注冊的按鍵狀態

2）bsp_KeyGetValue

獲取鍵值函數，通過傳入key所對應ID的值，就能得到該鍵值

3 測試

3.1 編寫測試代碼

1）第104行，調用系統Tick函數，實現1ms Tick功能，

2）第117行，實現鍵盤掃描功能，其執行周期為1ms

3) 第127行，讀取鍵值

源代碼

void bsp_KeyMonitor( void )
{unsigned char index ;for( index = 0; index < KEY_TOTAL; index ++ ){bsp_KeyScan( index );}
}unsigned char bsp_KeyGetValue(KEY_ID keyID)
{unsigned char value;value = s_tBtn[keyID].State;s_tBtn[keyID].State = 0;    // clear key statusreturn value;
}

3.2 測試

編譯程序，下載到板卡中，按下不同的按鍵，會打印不同的鍵值

源代碼

void tick_action( void )
{static bool flag_1s = 0;static unsigned int tick_cnt = 0;static unsigned int beforTick = 0;unsigned int currentTick;unsigned char val;currentTick = HAL_GetTick();if(beforTick != currentTick ){beforTick = currentTick;tick_cnt++;// 1s actionif( (tick_cnt % 1000) == 0) {flag_1s = true;;}//1ms actionbsp_KeyMonitor();}if( flag_1s ){flag_1s = false;HAL_GPIO_TogglePin(SYS_RUN_LED_GPIO_Port, SYS_RUN_LED_Pin);}val = bsp_KeyGetValue( KEY_1 );if( val  ){test_can1_send();}val = bsp_KeyGetValue( KEY_2 );if( val  ){test_can2_send();}
}

運行代碼后，可以看見：