矩阵键盘与电子幽灵

矩阵键盘与电子幽灵

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  2024-02-28 00:03 2024-02-28 00:03 Created   2024-04-12 21:56:53 2024-04-12 21:56:53 Updated   2.4k Words  9 Mins  

最近在调试矩阵键盘，遇到了很多不可言说的Bug，在这里记录一下。顺便介绍下矩阵键盘吧。

矩阵键盘

部分图文源于：STM32 4*4矩阵键盘实现原理（附程序）_矩阵键盘原理图-CSDN博客

矩阵键盘由 4x4 个按键组成，外部引出 8 个引脚。通过对这 8 个引脚 io 状态的读写，可以定位到被按下的按键。下面介绍其原理及实现。

原理

一般 4x4 矩阵键盘的原理图如下：

我们先看行 1PD3。将 PD3 拉低到地，PD4-7 置上拉输入。假设 KEY1 被按下，那么 PD4 被拉低，即可确认 KEY1 被按下。KEY2-4 同理。

以上只针对某一行的情况。在使用整个键盘时，我们默认将 PD0-PD7 全部拉高，然后每次检测时将 PD0-PD3 中的某一个单独拉低。如检测第二行 PD2 时，将 PD3,1,0 拉高，PD2 拉低，随后如上读取 PD4-7 的电平情况，即可定位。这一方法被称为逐行扫描。

非阻塞式检测

众所周知，按键在按下时会有一段时间的抖动，需要进行消抖。在没有外部电路消抖时，我们常采用软件消抖的方式。通常，我们在检测到引脚电平变化时，会先 delay 一段时间，再读取引脚电平，以此来跳过抖动。这种方法被称为阻塞式检测。它其实造成了一定的资源浪费：delay 时，cpu 处于阻塞状态，无法处理其它任务。

抖动时的电平会多次变化

为了解决这一问题，我们可以采用非阻塞式按键检测。下面以上拉输入为前提。当检测到引脚电平变低时，我们令变量 down_cnt 自增 1。一段时间 (CPU 执行其它任务) 后，再次记录。如果引脚电平仍为低，令 down_cnt 再自增 1。重复以上过程，直到 down_cnt == x，那么我们返回按键被按下的信号。这里的 x 是一个合理的能跳过抖动的时间。假设抖动持续 10ms，cpu 执行其它任务需要 5ms，那么令 x=2 即可较好地跳过抖动。

松开抖动的处理与上类似。

这只是我的理解，有佬使用状态机更清晰地描述了这一过程，详见：STM32按键消抖——入门状态机思维 - 知乎 (zhihu.com)

代码实现

初始化配置：使用 GPIOA，Pin0-3 为推挽输出，对应行 4-1；Pin4-7 为上拉输入，对应列 1-4。

按键消抖

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u8 Key_Scan(u8 curRow, u8 i)

{

    // TIM_SetCounter(KeyTim, 0);

    static u8 down_cnt[4] = {0};

    static u8 up_cnt[4] = {0};

    static u8 downFlag[4] = {0};

    u8 temp = GPIOA->IDR;

    /*debug

    u8 gp5 = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_5);

    u8 gp4 = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_4);*/

    if (((GPIOA->IDR) & (0b11111111)) != curRow)//取出低8位

    {

        down_cnt[i]++;

        if (down_cnt[i] == 2)

        {

            down_cnt[i] = 0;

            downFlag[i] = temp;

        }

    }

    else

    {

        up_cnt[i]++;

        if (up_cnt[i] == 2 && downFlag[i] != 0)//按下后松手，才认为一次按键完成

        {

            up_cnt[i] = 0;

            temp = downFlag[i];

            downFlag[i] = 0;

            return temp;

        }

        up_cnt[i] %= 3;//未按下时防止溢出

    }

    return 0;

}

GPIOA->IDR，管脚输入寄存器，值为 32 位 uint，低 16 位有效，对应 GPIOA 的 Pin0-15。为 0 代表输入为低电平，为 1 代表高电平。
GPIOA->ODR，管脚输出寄存器，配置它可以控制引脚输出电平的高低。参数与 IDR 类似。

这个函数其实有一定缺陷，因为每一行的扫描完成一次后，需要等待其它三行的扫描完成，再进行对该行的第二次扫描，这就导致按下的采样间隔过大：按键如果按下的时间太短，也会被认作是抖动，不能正常识别。解决方案是每次多按一会 按下时不使用消抖，直接读取到变化就将 downFlag[i]=temp，弹起消抖不变。

矩阵键盘

按照上述原理，扫描行 1 时，将 ODR 配置为 row[0]=0b1111_0111；如果 IDR!=row[0]，令 down_cnt[0]++。假设 IDR=0b1110_0111，证明 Pin4 被拉低，即第一个按键被按下。

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u8 Keyboard_Scan(void)

{

    GPIOA->ODR = 0b00000000;

    u8 rows[] = {0b11110111, 0b11111011, 0b11111101, 0b11111110};

    u8 temp;

    for (u8 i = 0; i < 4; i++)

    {

        GPIOA->ODR = rows[i];

        temp = Key_Scan(rows[i], i);
 /*Debug
        u8 t1 = GPIOA->IDR;

        u8 t2 = GPIOA->ODR;

       
        OLED_ShowString(62, 10, "IDR", OLED_6X8);

        OLED_ShowString(62, 20, "ODR", OLED_6X8);

        OLED_ShowBinNum(0, 10, t1, 8, OLED_6X8);

        OLED_ShowBinNum(0, 20, t2, 8, OLED_6X8);

        OLED_Update();*/

        if (temp != rows[i] && temp != 0)

        { /*1110

         1101

         1011

         0111*/

            temp = temp >> 4;//取4-7位

            u8 j = 0;

            for (j = 0; j < 4; j++) // 返回按键值，>>移temp

            {

                if (((temp >> j) & 0x01) == 0)//检测是哪一位被拉低

                {

                    return i * 4 + j;

                }

            }

        }

    }

    return NoRes;//宏定义的信号，表明没有按下

}

代码难度也不大，就不详细解释了。

电　子　幽　灵

这份代码折磨了我几个晚上，总是会出现一些意想不到的 Bug。虽然大部分 Bug 是因为我是 cb。感谢 袁神，帮我解决了大部分问题。

电磁兼容初试

杜邦线一般长这样：

矩阵键盘的八个引脚在板子上是连成一排的。我直接拆了相连的 8 根线来用，没有把这 8 根线彼此分开。毕竟我连 STLink 的散着的 4 根线都接不太明白

调试的时候，电子幽灵出现了：

  • 偶发性某一行/某一列完全不识别
  • 右上角的按键和旁边两个按键识别不出来。这个问题稳定触发。打断点看见 temp 返回的是 0b1100_0111，也就是 Pin4 和 Pin5 被同时拉低了。我单独测试这两个 Pin 又是正常的，插上矩阵键盘就短路，让我一度怀疑是不是我写出 Bug 了，或者寄存器读取的值不对，或者这个键盘设计有问题。
    赞美 袁神，他让我把这 8 根线拆散，以上问题迎刃而解。

袁神曾说：8 根连在一起的杜邦线会产生电磁干扰。

打通 OLED 的二脉

我测试过程中换了一块 OLED，不出意外地点不亮。看了几遍代码以后，最后把 VCC 接到 5V 才正常点亮；但是 OLED 的测试代码正常，移植到我的项目的代码又不正常了。最后连 Keil 的断点调试都不正常，单步开始乱跳，程序入口都找不到了。最后 Rebuild 了整个 Project 才正常。代码小改 Build，大改还是 ReBuild 吧。

有趣的是，在第一次接 5v 点亮 OLED 以后，再接 3.3v 也能点亮这块 OLED 了。不知道我是不是把里面的什么东西烧掉了。

CV 浓度检测

经常 CV 代码的朋友都知道，CV 容易自己写难。

在测试 PA4 和 PA5 时，这两个脚的电平不管我怎么配置都没有用，最后发现推挽输出连灯都点不亮了。

我经历过这种事，当时是 PA12 的下拉输入不起作用，最后知道这个引脚设计上比较特殊，电平拉不低。我又开始怀疑 PA4 和 PA5 是不是也比较特殊，但是百度下来也没有遇到相似的情况。袁神看了我的码一眼，就赞道：

你初始化没写 GPIO_Speed。

我是 cb

补充一个比较全的 C8T6 的引脚图：
STM32F103C8T6引脚图及引脚功能说明及避坑指南-腾讯云开发者社区-腾讯云 (tencent.com)

具有 AC5 特色的 C99 标准

  1. gcc 中，if(a != 0) 是等价于 if(a) 的；但是在 AC5 中，它俩不等效。感谢 STLink 的断点调试，让我少被折磨了几个小时。
  2. C99 中，for(int i=0;i<xx;i++) 是合理的写法。在 AC5 开启 C99 支持后，编译同样可以通过，但是 i 的值变得不可预料。在 if (((temp >> j) & 0x01) == 0)//检测是哪一位被拉低 这句，for(int i=0;i<xx;i++) 始终无法满足条件；最后把 i 先声明，再使用，才恢复正常。

当然，AC5 现在岁数比我都大一轮多了，arm 官方也不再支持 AC5 了，但是我的 Keil 默认配的还是 AC5，很多教程也是基于 AC5 写的。等我有空一定迁移到 AC6。

最后说一点调试的心得吧。

首先就是不要碰 stm32，用 Arduino 调试的流程。我比较习惯从软件 - 硬件的流程来调试，毕竟我比较擅长写 Bug。实际写的时候，我写出了很多位运算的 bug，比如 16 位的数直接和 8 位比较；这类还好，可以用断点调试试出来。但是逻辑上的 Bug 还是不可避免的，写之前最好先把状态转移图画明白。

硬件上，当比较基础的代码出现 Bug 的时候，先看看自己的配置有没有写好；然后再看看外部电路连错没有；最后再考虑引脚的特殊性。单片机调试和一般软件调试区别很大，寄存器的值不对就是不对，也很难说是哪一步没写好或者电路没连对。有时候可能就是这种时候只能发挥工匠精神，慢慢检查。学电子的是这样的

最后就是，代码和人，能跑就行。我还遇到过注释掉某一行就发生硬错误，不注释就正常的情形。Pin, TIM 这些实在调不通就换一个，很多 Bug 很难说到底是 MCU 自身缺陷还是电路问题。

赞美袁神，驱散一切电子幽灵。

  • Title: 矩阵键盘与电子幽灵
  • Author: SingleDog
  • Created at : 2024-02-28 00:03:00
  • Updated at : 2024-04-12 21:56:53
  • Link: https://www.singledog233.top/GPIO-Keyboard/
  • License: This work is licensed under CC BY-NC-SA 4.0.
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