STM32按鍵消抖——入門狀態(tài)機思維

在嵌入式軟件開發(fā)中，狀態(tài)機編程是一個十分重要的編程思想，它也是嵌入式開發(fā)中一個常用的編程框架。掌握了狀態(tài)機編程思想，可以更加邏輯清晰的實現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯功能。

1 狀態(tài)機思想

狀態(tài)機，或稱有限狀態(tài)機FSM（Finite State Machine），是一種重要的編程思想。

狀態(tài)機有3要素：狀態(tài)、事件與響應(yīng)

狀態(tài)：系統(tǒng)處在什么狀態(tài)？

事件：發(fā)生了什么事？

響應(yīng)：此狀態(tài)下發(fā)生了這樣的事，系統(tǒng)要如何處理？

狀態(tài)機編程前，首先要根據(jù)需要實現(xiàn)的功能，整理出一個對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(狀態(tài)機圖)，然后就可以根據(jù)這個狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，套用狀態(tài)機編程模板，實現(xiàn)對應(yīng)是狀態(tài)機代碼了。

狀態(tài)機編程主要有 3 種方法：switch-case 法、表格驅(qū)動法、函數(shù)指針法，本篇先介紹最簡單也最易理解的switch-case 法。

2 狀態(tài)機實例

下面以按鍵消抖功能，來介紹switch-case 法的狀態(tài)機編程思路。

2.1 按鈕消抖狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

狀態(tài)機機編程前，首先要明確的對應(yīng)功能的狀態(tài)機需要幾個狀態(tài)，本例的按鍵功能，只檢測最基礎(chǔ)的按下與松開狀態(tài)（暫不實現(xiàn)長按、雙擊等狀態(tài)），并增加對應(yīng)的按鈕去抖功能，因此，需要用到4個狀態(tài)：

穩(wěn)定松開狀態(tài)

按下抖動狀態(tài)

穩(wěn)定按下狀態(tài)

松開抖動狀態(tài)

對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：

由于按鍵通常處于松開狀態(tài)，這里讓狀態(tài)機的初始化狀態(tài)為松開狀態(tài)，然后在這4個狀態(tài)中來回切換。

圖中的VT代表按鍵檢測到電平，VT=0即檢測到低電平，可能是按鍵按下，由初始的“穩(wěn)定松開”狀態(tài)轉(zhuǎn)為“按下抖動”狀態(tài)

當(dāng)持續(xù)檢測到低電平(VT=0)一段時間后，認為消抖完成，由“按下抖動”狀態(tài)轉(zhuǎn)為“穩(wěn)定按下”狀態(tài)

在“按下抖動”狀態(tài)時，在指定的一段時間內(nèi)，再次檢測到高電平(VT=1)，說明確實是按鈕抖動（比如按鍵被快速撥動了一下又彈起，或強烈震動導(dǎo)致的按鍵抖動），則由“按下抖動”狀態(tài)轉(zhuǎn)為“穩(wěn)定松開”狀態(tài)

2.2 編程實現(xiàn)

2.2.1 狀態(tài)定義

對應(yīng)上面的按鈕狀態(tài)圖，可以知道需要用到4個狀態(tài)：

穩(wěn)定松開狀態(tài)（KS_RELEASE）

按下抖動狀態(tài)（KS_PRESS_SHAKE）

穩(wěn)定按下狀態(tài)（KS_PRESS）

松開抖動狀態(tài)（KS_RELEASE_SHAKE）

這里使用枚舉來定義這4個狀態(tài)。為了在調(diào)試時，能夠把對應(yīng)狀態(tài)名稱以字符串的形式打印出來，這里使用宏定義的一個小技巧：

#符號+自定義的枚舉名稱

即可自動轉(zhuǎn)變?yōu)樽址问?，再將這些字符串放到const char* key_status_name[]數(shù)組中，便可通過數(shù)組的形式訪問這些狀態(tài)的字符串名稱形式。

此外，為了不重復(fù)書寫枚舉名稱與對應(yīng)的枚舉字符串(#+枚舉名稱)，進一步使用宏定義的方式，只定義一次狀態(tài)，然后通過下面兩條宏定義，實現(xiàn)對枚舉項和枚舉項對應(yīng)的字符串的分別獲?。?/p>

#define ENUM_ITEM(ITEM) ITEM,

#define ENUM_STRING(ITEM) #ITEM,

具體是宏定義、枚舉定義與枚舉名稱數(shù)組聲明如下：

#define ENUM_ITEM(ITEM) ITEM,
#define ENUM_STRING(ITEM) #ITEM,

#define KEY_STATUS_ENUM(STATUS)                   \
	STATUS(KS_RELEASE)       /*穩(wěn)定松開狀態(tài)*/       \
	STATUS(KS_PRESS_SHAKE)   /*按下抖動狀態(tài)*/       \
	STATUS(KS_PRESS)         /*穩(wěn)定按下狀態(tài)*/       \
	STATUS(KS_RELEASE_SHAKE) /*松開抖動狀態(tài)*/       \
	STATUS(KS_NUM)           /*狀態(tài)總數(shù)(無效狀態(tài))*/  \
	
typedef enum
{
	KEY_STATUS_ENUM(ENUM_ITEM)
}KEY_STATUS;

const char* key_status_name[] = {
	KEY_STATUS_ENUM(ENUM_STRING)
};

宏定義不便理解的，可以將宏定義分別帶入，轉(zhuǎn)為最終的結(jié)果，理解替代后的具體形式，比如下面的宏定義帶入替換示意：

/*
KEY_STATUS_ENUM(STATUS) --> STATUS(KS_RELEASE) ... STATUS(KS_NUM)

KEY_STATUS_ENUM(ENUM_ITEM)
--> ENUM_ITEM(KS_RELEASE) ... ENUM_ITEM(KS_NUM)
--> KS_RELEASE, ... KS_NUM,

KEY_STATUS_ENUM(ENUM_STRING)
--> ENUM_STRING(KS_RELEASE) ... ENUM_STRING(KS_NUM)
--> #KS_RELEASE, ... #KS_NUM,
*/

2.2.2 狀態(tài)機實現(xiàn)

下面是狀態(tài)機的具體實現(xiàn)：

狀態(tài)機函數(shù)key_status_check在一個循環(huán)中，被每隔10ms調(diào)用一次

定義一個g_keyStatus表示狀態(tài)機所處的狀態(tài)

在每個循環(huán)中，switch根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)，執(zhí)行對應(yīng)狀態(tài)所需要執(zhí)行的邏輯

定義一個g_DebounceCnt用于消抖時間計算，當(dāng)持續(xù)進入消抖狀態(tài)，每次循環(huán)(10ms)中將此值加1，持續(xù)一定次數(shù)(5次，即50ms)，認為是穩(wěn)定的按下或松開，消抖完成，跳轉(zhuǎn)到穩(wěn)定方向或穩(wěn)定松開狀態(tài)

在每個狀態(tài)的執(zhí)行邏輯中，當(dāng)檢測到某些條件滿足時，跳轉(zhuǎn)到其它的狀態(tài)

通過狀態(tài)的不斷跳轉(zhuǎn)，實現(xiàn)狀態(tài)機的運行

此外，為方便觀察狀態(tài)機中狀態(tài)的變化，定義了一個g_lastKeyStatus表示前一狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時，可以將狀態(tài)名稱打印出來

KEY_STATUS g_keyStatus = KS_RELEASE; //當(dāng)前按鍵的狀態(tài)
KEY_STATUS g_lastKeyStatus = KS_NUM; //上一狀態(tài)
int g_DebounceCnt = 0; //消抖時間計數(shù)

void key_status_check()
{
	switch(g_keyStatus)
	{
		//按鍵釋放(初始狀態(tài))
		case KS_RELEASE:
		{
			//檢測到低電平，先進行消抖
			if (KEY0 == 0)
			{
				g_keyStatus = KS_PRESS_SHAKE;
				g_DebounceCnt = 0;
			}
		}
		break;
		
		//按下抖動
		case KS_PRESS_SHAKE:
		{
			g_DebounceCnt++;
			
			//確實是抖動
			if (KEY0 == 1)
			{
				g_keyStatus = KS_RELEASE;
			}
			//消抖完成
			else if (g_DebounceCnt == 5)
			{
				g_keyStatus = KS_PRESS;
				printf("=====> key press\r\n");
			}
		}
		break;
		
		//穩(wěn)定按下
		case KS_PRESS:
		{
			//檢測到高電平，先進行消抖
			if (KEY0 == 1)
			{
				g_keyStatus = KS_RELEASE_SHAKE;
				g_DebounceCnt = 0;
			}
		}
		break;
		
		//松開抖動
		case KS_RELEASE_SHAKE:
		{
			g_DebounceCnt++;
			
			//確實是抖動
			if (KEY0 == 0)
			{
				g_keyStatus = KS_PRESS;
			}
			//消抖完成
			else if (g_DebounceCnt == 5)
			{
				g_keyStatus = KS_RELEASE;
				printf("=====> key release\r\n");
			}
		}
		break;
		
		default:break;
	}
	
	if (g_keyStatus != g_lastKeyStatus)
	{
		g_lastKeyStatus = g_keyStatus;
		printf("new key status:%d(%s)\r\n", g_keyStatus, key_status_name[g_keyStatus]);
	}
}

int main(void)
{	
	delay_init();	    //延時函數(shù)初始化	  
	KEY_Init();
	uart_init(115200);
	printf("hello\r\n");
	
	while(1)
	{
		key_status_check();
		delay_ms(10);
	}
}

注：本例程需要使用一個按鍵，需要初始化對應(yīng)的GPIO，這里不再貼代碼。

2.3 使用測試

將完整的代碼編譯后燒錄到板子中，連接串口，按下與松開按鍵，觀察串口輸出信息。

我的測試輸出信息如下：

前兩次撥動按鍵模擬按鈕抖動的情況，可以看到串口打印出兩次從松開到按下抖動的狀態(tài)切換。

然后是按下按鍵，再松開按鍵，可以看到狀態(tài)的變化：松開 -> 按下抖動 -> 按下 -> 松開抖動 -> 松開

3 總結(jié)

本篇介紹了嵌入式軟件開發(fā)中常用的狀態(tài)機編程實現(xiàn)，并通過按鍵消抖實例，以常用的switch-case形式，實現(xiàn)了對應(yīng)的狀態(tài)機編程代碼實現(xiàn)，并通過測試，串口打印對應(yīng)狀態(tài)，分析狀態(tài)機的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)過程。