非阻塞实现高效键盘扫描功能（STM32F4XX）

概述

1 原理分析

1.1 技术背景

1.2 系统硬件

1.3 STM32 IO（输入模式）寄存器分析

1.3.1 输入IO的功能描述

1.3.2 输入配置

1.3.3 GPIO 寄存器（输入模式相关）

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 端口输入数据寄存器

1.4 外设时钟使能寄存器

2 软件实现

2.1 使用STM32CubeMX创建工程

2.2 认识Hal库中和IO相关的函数

2.3 实现代码

2.3.1 定义一个Key相关的数据结构

2.3.2 初始化函数

2.3.3 按键扫描函数

2.3.4 使用键值

3 测试

3.1 编写测试代码

3.2 测试

源代码下载地址：

使用SM32-F4实现非阻塞方式，读取按键值资源-CSDN文库

概述

本文主要介绍如何使用非阻塞方式，实现多个按键扫描功能，能准确判断按键的状态。还详细介绍STM32 F4系列芯片IO相关的寄存器，已经Hal库中和IO相关的接口函数。重点讲解非阻塞高效键盘扫描功能的代码实现逻辑。

1 原理分析

1.1 技术背景

在一个系统程序中，一般希望程序运行尽可能的快，这样MCU才可能经可能多的执行逻辑，或者处理数据。Windows /Linux系统中引入线程和进程来解决这个问题。在单线程系统（单片机程序：主程序main中一个while循环）中，也可以模拟多线程的方式，把阻塞执行的代码，使用时间片来轮询来执行。以提高代码运行的效率。

扫描键盘功能就明显有这类任务的特征，本文就是采用系统定时器产生时间片，实现一个非阻塞任务方式，扫描键盘中的按键，并判断键值是否有效。

1.2 系统硬件

电路分析：

系统有8个独立按键，每个独立按键一个端口与一个MCU的一个IO相连，且与MCU IO相连的这个端口，接了一个上拉电阻，其目的，保持IO输入口电平的稳定性。按键的另一个端口与GND连接，当按键按下之后，MCU IO会检测到低电平信号。

1.3 STM32 IO（输入模式）寄存器分析

要使用MCU IO控制外围设备，就需要对IO模块有一个清晰的认识，这样才能正确的使用它，下面来分析STM32 IO模块的特性。笔者使用的芯片型号是STM32F407IGT6，所以，本文以STM32F4xx用户手册为例来介绍其IO的使用方法。由于，STM32 IO的功能比较复杂，这里只介绍将其配置为输入IO时，该如何使用。

1.3.1 输入IO的功能描述

根据数据手册中列出的每个 I/O 端口的特性，可通过软件将通用 I/O (GPIO) 端口的各个端口位分别配置输入模式时，有如下3种方式配置： ● 输入浮空 ● 输入上拉 ● 输入下拉

1.3.2 输入配置

对 I/O 端口进行编程作为输入时： ● 输出缓冲器被关闭 ● 施密特触发器输入被打开 ● 根据 GPIOx_PUPDR 寄存器中的值决定是否打开上拉和下拉电阻 ● 输入数据寄存器每隔 1 个 AHB1 时钟周期对 I/O 引脚上的数据进行一次采样 ● 对输入数据寄存器的读访问可获取 I/O 状

1.3.3 GPIO 寄存器（输入模式相关）

1.3.3.1 GPIO 端口模式寄存器

每一组GPIO有个 GPIOx_MODER 端口模式寄存器, 该寄存器一共有32个bit, 每两个bit控制一组IO下的一个pin引脚的模式状态。

MODERy[1:0]：端口 x 配置位 (Port x configuration bits) (y = 0..15)。这些位通过软件写入，用于配置 I/O 方向模式。

00：输入（复位状态） 01：通用输出模式 10：复用功能模式 11：模拟模式

举个例子：配置GPIOI_PIN7为输入引脚，需要写MODER7[1:0] = 00

1.3.3.2 GPIO 端口上拉/下拉寄存器

每一组GPIO有个 (GPIOx_PUPDR) 上拉/下拉寄存器, 该寄存器一共有32个bit, 每2个bit控制一组IO下的一个pin引脚的上拉/下拉状态。

PUPDRy[1:0]：端口 x 配置位 (Port x configuration bits) (y = 0..15),这些位通过软件写入，用于配置 I/O 上拉或下拉。

00：无上拉或下拉 01：上拉 10：下拉 11：保留

1.3.3.3 GPIO 端口输入数据寄存器

每一组GPIO有个 (GPIOx_IDR) 输入数据寄存器 , 该寄存器一共有32个bit, 每1个bit表示对应端口输入的值。因为stm32每一组IO有16个端口，所以，使用bit0~bit15,存储输入的bit值，bit-16~bit-31保留

IDRy[15:0]：端口输入数据 (Port input data) (y = 0..15) 这些位为只读形式，只能在字模式下访问。它们包含相应 I/O 端口的输入值。

1.4 外设时钟使能寄存器

这个寄存器主要用来打开或者关闭所使用的外设功能，STM32F407有3个外设时钟使能寄存器，本文仅介绍和IO相关的 RCC_AHB1ENR ，其定义如下：

在上图中可以看见，和IO相关的时钟使能bit位分布在bit0~bit8，要使用那个端口，只需将对应的位置1，就可以使能该对应位的时钟。

2 软件实现

2.1 使用STM32CubeMX创建工程

1）打开STM32CubeMX创建工程，然后在GPIO选项卡中，配置和KEY-IO相关的参数。

2）完成参数配置后，点击GENERATE CODE,生成工程文件。

2.2 认识Hal库中和IO相关的函数

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

功能：用于初始化GPIO的属性，在STM32CubeMX中配置IO属性后，该函数会在IO初始代码中调用。这部分代码会由STM32CubeMX自动生成。

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

功能：读取IO_PIN的值

函数参数：

GPIOx： GPIO组（A,B,C...）

GPIO_Pin: GPIO组下的那个引脚（0~15）

返回值：读到IO pin 的值

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

功能：写IO_PIN的值

函数参数：

GPIOx： GPIO组（A,B,C...）

GPIO_Pin: GPIO组下的那个引脚（0~15）

PinState：要写的状态（0 or 1）

4） HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

功能：触发IO_Pin电平变化

函数参数：

GPIOx： GPIO组（A,B,C...）

GPIO_Pin: GPIO组下的那个引脚（0~15）

5）HAL_GPIO_LockPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

功能：锁存当前IO_Pin的值，reset时，该IO的电平不会发生变化

函数参数：

GPIOx： GPIO组（A,B,C...）

GPIO_Pin: GPIO组下的那个引脚（0~15）

6）HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint16_t GPIO_Pin)

功能：当前IO_Pin的中断函数

函数参数：

GPIO_Pin: GPIO组下的那个引脚（0~15）

7）HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)

功能: 中断函数的回调函数，HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler中会调用该函数，且这个函数函数为weak类型，用户可重新写它。

2.3 实现代码

源代码下载地址：使用SM32-F4实现非阻塞方式，读取按键值资源-CSDN文库

2.3.1 定义一个Key相关的数据结构

定义一个数据结构，由于操作和key相关的状态控制。

typedef struct
{
    uint8 (*KeyActFunc)(void);   

    uint8  Count;
    uint8  State;
    uint8  DownState;
    uint8  ReleaseState;
}KeyAct_Stru;

2.3.2 初始化函数

1）在该段函数中，21~29 行，实现IO状态读取函数，当按键被按下后，返回值为1, 否则返回值为0

2）44~52行，注册按键触发函数

源代码

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 按键扫描函数

实现逻辑如下： 1）当按键被按下后，检测计数器开始工作（63~75行），bsp_KeyScan（）的运行周期是1ms，当count值累加到门限值时，按键按下的状态没有改变，说明按键值有效。

2）检测按键弹起:

step-1: 检测按下标记为是否有效，如果该位有效，说明按键被按下过。

step-2：计数器开始工作，当计数器的值到达门限值后，弹起状态有效，置位弹起标记。

3）键值位（102~108行）

检测按下确认状态位和弹起确认状态位。当二者都有效时，存储的键值有效。

源代码

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 使用键值

1）bsp_KeyMonitor

按键扫描函数，该函数必须放在一个以1ms为间隙扫描的任务里，其会周期性的扫描所有注册的按键状态

2）bsp_KeyGetValue

获取键值函数，通过传入key所对应ID的值，就能得到该键值

3 测试

3.1 编写测试代码

1）第104行，调用系统Tick函数，实现1ms Tick功能，

2）第117行，实现键盘扫描功能，其执行周期为1ms

3) 第127行，读取键值

源代码

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 status
	
    return value;
}

3.2 测试

编译程序，下载到板卡中，按下不同的按键，会打印不同的键值

源代码

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 action
       if( (tick_cnt % 1000) == 0) 
       {
          flag_1s = true;;
       }
       
       //1ms action
       bsp_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();
    }
}

运行代码后，可以看见：