嵌入式系統智能鍵盤的軟件設計

引言

鍵盤是智能化測控系統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服務是每個設計者需要切實考慮的問題。

嵌入式系統鍵盤軟件設計存在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，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，返回主程序繼續工作。計算機系統執行速度快，很快又一次執行到鍵盤程序，并再次檢測到鍵還處于按下的狀態，單片機還會去執行鍵值處理程序。這樣周而復始，按一次按鍵系統會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，要加一個非常大的延時函數，再向下執行。

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，會大大削弱系統的實時性；若采用中斷方式延時，會占用定時器，耗費了系統資源，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短擊和長擊區分的軟件設計

圖2為短擊／長擊的示意圖。


軟件流程如下：

①定義1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。

③定時檢測按鍵，當按鍵閉合時，KEY_Counter按一定的頻率遞增。

④當KEY_Counter≥c_keyover_time時，確認一次有效長擊。

⑤當按鍵釋放時，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行；

◆當按鍵剛被按下時，系統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。

②定義2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，如果要每秒執行10次連擊，則這個參數=100 ms)。

③按鍵未閉合前，先令KEY_Counter=0。

④當按鍵閉合時，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，則進入下一進程。

⑤KEY_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，即可再執行一次按鍵功能，此為連擊。

⑦如果按鍵一直閉合，就重復執行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中程序量的不同，需要調整3個參數。不過，該程序利用系統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的實時性要求，而且軟件直接調用，大大降低了系統開發的難度。