嵌入式系統(tǒng)智能鍵盤的軟件設計

引言

鍵盤是智能化測控系統(tǒng)主要的信息輸入方式，是實現人機對話的重要途徑，因此如何有效地控制鍵盤并為系統(tǒng)服務是每個設計者需要切實考慮的問題。

嵌入式系統(tǒng)鍵盤軟件設計存在3方面問題：軟件去抖動、等待按鍵抬起和連擊處理。

1嵌入式系統(tǒng)鍵盤軟件設計的3個問題

1.1軟件去抖動問題

一次完整按鍵過程的時序波形如圖1所示。當按鍵未被按下時，單片機端口輸入為通過上拉電阻獲得的高電平；按下時，端口接至地，端口輸入為低電平。當機械觸點斷開、閉合時會有抖動，這種抖動對人來說是感覺不到的，但對計算機來說，則是完全可以感應到的。計算機處理的速度是us級，而機械抖動的時間至少是ms級，對計算機而言，這已是漫長的時間了。

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的問題。嵌入式系統(tǒng)一般采用軟件延時去除抖動。軟件延時去除抖動其實很簡單，就是在單片機獲得端口有按鍵動作時，不是立即認定按鍵開關已被按下，而是延時10 ms或更長一段時間后再次檢測端口，如果仍為動作電平，則說明按鍵開關的確按下了，這實際上是避開了按鍵按下時的抖動時間；而在檢測到按鍵釋放后(端口為高)再延時5～10 ms，消除后沿的抖動，然后再對鍵值處理。當然，實際應用中對按鍵的要求也是千差萬別，要根據不同的需要來編制處理程序，但以上是軟件延時去除抖動的基本原則。

1.2等待按鍵抬起問題

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

對于軟件去抖動問題和等待按鍵抬起問題，若采用軟件延時，會大大削弱系統(tǒng)的實時性；若采用中斷方式延時，會占用定時器，耗費了系統(tǒng)資源，且軟件的多任務編程會增大軟件設計的復雜度。

1.3連擊處理問題

工業(yè)控制設備中有這樣一種鍵盤方案設計要求：如果長時間按下同一個按鍵，表征有重復執(zhí)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“+”鍵超過一定時間(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個問題，本文給出一個解決方案。該軟件方案實現計數器自然去抖動和等待按鍵抬起功能，而非采取延時等待的方法，同時實現了連擊處理。

2智能鍵盤的軟件設計

為了解決智能鍵盤在應用中的一些技術問題，下面分析各種擊鍵類型的軟件處理方法。

2.1短擊和長擊區(qū)分的軟件設計

圖2為短擊／長擊的示意圖。

軟件流程如下：

　?、俣x1個變量，KEY_Counter=按鍵閉合計數器。

　　②定義1個常數，c_keyover_time=按鍵長擊時間常數。

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

　?、墚擪EY_Counter≥c_keyover_time時，確認一次有效長擊。

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

　　◆一般來說，長擊一旦被檢測到就立即執(zhí)行；

　　◆當按鍵剛被按下時，系統(tǒng)無法預知本次擊鍵的時間長度，所以短擊必須在釋放后再執(zhí)行。

　　⑥當按鍵釋放后，KEY_Counter應當被清零。

2.2單擊和連擊的軟件識別

一般來說，連擊和單擊是相伴隨的。事實上，連擊的本質就是多次單擊。軟件流程如下：

　　①定義1個變量，KEY_Counter=按鍵響應延時時間寄存器。

　?、诙x2個常數：

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

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

　?、郯存I未閉合前，先令KEY_Counter=0。

　?、墚敯存I閉合時，KEY_Counter以一定的頻率加1。抖動期間，若檢測到按鍵抬起，令KEY_Counter=0。當KEY_Counter=c_wobble_time時，抖動時間已經過去，即可先執(zhí)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)，則進入下一進程。

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

　　⑥當再次出現KEY_Counter=c_wobble_time時，即可再執(zhí)行一次按鍵功能，此為連擊。

　?、呷绻存I一直閉合，就重復執(zhí)行⑤～⑦三個步驟，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，甚至是矩陣鍵盤也很好仿寫)。WINAVR20071221例程如下(假定連接按鍵的I／O口已經成功地初始化)：

工程應用中隨著主函數死循環(huán)中程序量的不同，需要調整3個參數。不過，該程序利用系統(tǒng)的嘀嗒定時中斷定時讀取，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)變量會被分配一個內存固定、每次操作的值不會丟失、卻又被函數私有處理的類似全局變量的變量。

結語

本文針對實時應用的嵌入式系統(tǒng)中智能鍵盤軟件設計的軟件去抖動問題、等待按鍵抬起問題和連擊處理問題，給出基于查詢結構的軟件解決方案。該方案不但能夠滿足系統(tǒng)的實時性要求，而且軟件直接調用，大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度。