采用布爾處理的鍵盤矩陣解讀方法分析

采用布爾處理的鍵盤矩陣解讀方法分析

運用布爾處理技術(shù)對鍵盤矩陣進(jìn)行掃描解讀： 運用“位”操作方式將整個鍵盤矩陣的掃描解讀過程歸結(jié)為一系列的“位”的操作；掃描解讀過程沒有鍵值計算、沒有鍵對應(yīng)的特征值返回；為便于電路板的設(shè)計布線，構(gòu)成鍵盤矩陣的輸入口線可以是集中在同一P口的，也可以是隨意分散在不同P口中的。整個鍵盤矩陣的掃描簡捷、高效，解讀更為明快準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞 鍵盤矩陣 布爾處理 MCU 位操作 掃描解讀

引言

　　傳統(tǒng)的各類電子專業(yè)的教科書上以及可查閱的文獻(xiàn)資料中，有關(guān)MCU做鍵盤矩陣的掃描解讀，大都是通過逐行逐列掃描、鍵值計算、鍵對應(yīng)特征量返回、查表等數(shù)據(jù)處理的方式來進(jìn)行掃描解讀的。為此還得設(shè)定在求鍵值時以輔助保存原值的行值、列值緩沖寄存器等，有的為了保證鍵每閉合一次MCU只作一次處理，往往會在程序運行中等閉合鍵釋放后才對其進(jìn)行鍵解釋處理。這樣鍵盤的掃描解讀頗占CPU時間，降低了CPU的工作效率。本文揭示的是一種基于布爾處理的新穎的鍵盤矩陣解讀方法。下面結(jié)合圖示并以6×5鍵盤矩陣解讀為例進(jìn)行描述。

1? 程序結(jié)構(gòu)

　　基于布爾處理的鍵盤矩陣解讀方法，也就是使整個鍵盤矩陣的掃描解讀過程都能歸結(jié)為系列的布爾“位”的操作。掃描解讀過程主要包括如下步驟：定義各標(biāo)志位；鍵盤矩陣輸出線掃描；查詢有無鍵按下；查詢鍵解讀標(biāo)志位；消抖動延時；查詢相對應(yīng)的哪個輸示端口電平有變化；查詢相對應(yīng)的哪個輸出端口輸出掃描電平；相對應(yīng)的哪個鍵作具體的解釋處理；置位鍵解讀標(biāo)志位，流程如圖1所示。

2? 步驟闡述

2.1? 定義各標(biāo)志位

　　充分利用現(xiàn)行MCU內(nèi)部能進(jìn)行位操作的RAM資源，運用偽指令來定義系統(tǒng)中所牽涉的各標(biāo)志位。由于偽指令所揭示的定義只寫在源程序的頭文件上，是不會產(chǎn)生可執(zhí)行目標(biāo)代碼的，因而對標(biāo)志位定義的“操作”在圖1的程序流程簡圖中就沒有表述。

圖1? 鍵盤矩陣掃描程序流程簡圖

2.2? 鍵盤矩陣輸出線掃描

　　輸出線掃描過程也是通過逐個改變輸出行線端口的電平來實現(xiàn)的，如圖2所示。輸入口線平常所有端口都處于高電平狀態(tài)；輸出口線是逐個循環(huán)的輸出低電平，也就是任何時候只有一個口線輸出低電平；通過鍵的按下接通，才有可能拉低相對應(yīng)輸入口線的端口電平。

圖2? 鍵盤矩陣電路結(jié)構(gòu)

　　如果系統(tǒng)中配置有數(shù)碼顯示電路，則電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸入口線平常也都處于高電平狀態(tài)；輸出口線卻是逐個循環(huán)的輸出高電平，通過反相組件后掃描線才成為低電平；通過鍵的按下接通，同樣拉低相對應(yīng)輸入口線的端口電平。這樣將鍵盤輸出線掃描能與數(shù)碼顯示的位掃描程序合二為一了，也就能省卻了鍵盤掃描的單獨執(zhí)行，把鍵盤掃描納入到系統(tǒng)掃描顯示的大循環(huán)中。

圖3? 帶數(shù)碼位矩陣電路結(jié)構(gòu)

2.3? 查詢有無鍵按下

　　有無鍵按下自然是通過對鍵盤掃描輸入口狀況的查詢來確定的。有鍵按下，鍵盤掃描輸入端口也就相應(yīng)有所改變了。如果輸入端口如圖2所示，是集中在同一個Pn口的（其中，n=0,1,2,…），那么可以用對整個Pn口的字節(jié)數(shù)據(jù)的判別來確定鍵有否按動；也可運用依次對Pn口的幾個端口Pn.y進(jìn)行位的查詢來確定有無鍵按下，其中，y=0、1、2、3、4。

　　如果輸入口不是集中的，為了設(shè)計布線的方便而零亂分散于P0口、P2口……Pn口等不同的P口上，那么只能通過依次地對輸入各端口的位狀態(tài)變化的查詢來確定有否鍵按下。若檢查到有鍵按下，就轉(zhuǎn)入到鍵盤矩陣掃描解讀程序；若沒有鍵按下，則清一次鍵解讀標(biāo)志位為邏輯0，為下次按鍵解讀作好準(zhǔn)備。

2.4? 查詢鍵解讀標(biāo)志位

　　檢查有鍵按下后首先查詢鍵解讀標(biāo)志位的狀態(tài)是處于邏輯0還是邏輯1；若是邏輯0說明本次按鍵尚未解讀過，經(jīng)消抖動延時后需進(jìn)一步對鍵盤矩陣的輸出、輸入口線進(jìn)行查詢來確定是哪一個鍵，并作相應(yīng)處理。

　　若鍵解讀標(biāo)志位是邏輯1，則表明本次按鍵已解讀過了，沒必要浪費CPU時間，可直接從鍵掃描處理程序中返回。這就實現(xiàn)了鍵每閉合一次，MCU只作一次處理的效果。改變了傳統(tǒng)的為了保證鍵每閉合一次，MCU只作一次處理，程序中需等待鍵釋放后才對其進(jìn)行解釋的弊病。

2.5? 消抖動延時

　　當(dāng)覺察有鍵按下、查詢鍵解讀標(biāo)志位為0時，就置位消抖動延時標(biāo)志位及其輔助位進(jìn)入消抖動延時處理。消抖動延時的具體進(jìn)行可調(diào)備用的消抖動延時程序；也可借助對系統(tǒng)大循環(huán)次數(shù)的計數(shù)或動用MCU內(nèi)部定時器的中斷來實現(xiàn)消抖動延時，這樣就不必設(shè)置專門的延時程序而占用CPU的時間了。消抖動延時結(jié)束時清零消抖動延時標(biāo)志位及其輔助位。

2.6? 查詢哪個輸入口線電平有變化

　　平常所有輸入端口都處于高電平，經(jīng)消抖動延時后就查詢鍵盤矩陣各輸入口線的電平是否有被拉低。若一個端口也沒被拉低，則說明本次按鍵無效(可能是某種干擾引起的“抖動”)，于是直接返回。

　　若依次查詢作為輸入的Pn.y各端口的其中某個端口電平被拉低，則表明本次按鍵是有效的，將跳轉(zhuǎn)至查詢與該口線交叉相關(guān)的那個輸出口線。

2.7? 掃描哪個輸出口線輸出有效電平

　　圖2所示的鍵盤矩陣電路結(jié)構(gòu)中，輸出端口Pm.x與輸入端口Pn.y是直接由鍵連接交叉的。當(dāng)鍵按下時哪一個輸入端口的電平被拉低確定后，則跳轉(zhuǎn)到查詢Pm.x(Pm.0、Pm.1、Pm.2、Pm.3、Pm.4、Pm.5)六個端口中是哪個端口輸出低電平，進(jìn)而確定具體哪一個鍵按下，跳轉(zhuǎn)至幾號鍵進(jìn)行解釋處理。任何時候掃描輸出低電平的端口是唯一的，也只有行掃描輸出低電平的那個Pm.x口，才會將列輸入Pn.y口的電平拉低。這時，鍵按下有效交叉的行、列相應(yīng)端口都處于低電平。

　　若運用典型的51系列MCU的指令去寫匯編程序來解讀矩陣的具體鍵時，則有：

　　Key_scan：JNB Pn.y，Key_matrix_j
　　　　；當(dāng)輸入端口Pn.y(y=0，1，2，3，4)被拉低時，跳轉(zhuǎn)至Key_matrix_j(j=y)
　　　　　　LJMPReturn
　　　?。蝗舳丝赑n.y一個也沒被拉低，則返回
　　Key_matrix_j： JNBPm.x，Key_gloze_i
　　　??；當(dāng)知曉Pn.y的某個端口被拉低，則再查詢Pm.x(x=0,1,2,3,4,5)的哪個端口掃描輸出低電平來確定具體是i號按鍵，則跳轉(zhuǎn)至Key_gloze_i(i=1,2,3,…,29,30)以對i號鍵作相應(yīng)的解釋處理
　　　　　　LJMPReturn
　　Key_gloze_1：…；1號鍵解釋處理
　　　　　　LJMPReturn
　　Key_gloze_2：…；2號鍵解釋處理
　　　　　　LJMPReturn
　　…
　　Key_gloze_29：…；29號鍵解釋處理
　　　　　　LJMPReturn
　　Key_gloze_30：…；30號鍵解釋處理
　　Return：RET；鍵盤矩陣掃描解讀返回

圖4? 鍵盤矩陣掃描倒樹形結(jié)構(gòu)

　　以上匯編語言所述的鍵盤矩陣掃描解讀過程，可借助圖4來較形象化地解釋。由圖4可見，每一Pn.y(y=0，1，2，3，4)口都與Pm.x(x=0，1，2，3，4，5)的6個口有關(guān)聯(lián)，而每一Pn.y口線與Pm.x的6個口線中任一口線相交都揭出一個鍵(i號)，結(jié)合以上程序，若輸入端口Pn.0被拉低，且是端口Pm.1有效掃描輸出低電平，則有(JNBPn.0，Key_matrix_0)指令跳轉(zhuǎn)至Key_matrix_0，繼而查詢輸出端口(JNBPm.1，Key_gloze_6)跳轉(zhuǎn)至Key_gloze_6，也就是先查詢到Pn.0被拉低跳轉(zhuǎn)至Key_matrix_0→再查詢到Pm.1掃描輸出低電平跳轉(zhuǎn)至Key_gloze_6→揭出是6號鍵按下并賦予其相應(yīng)的解釋處理。以此類推。

　　如果鍵盤矩陣的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其掃描輸出端口Pm.x不是直接與輸入端口Pn.y交叉的，而是經(jīng)過用于數(shù)碼顯示位驅(qū)動的反相組件后再與入端口Pn.y交叉的。為此，其掃描輸出有效端口不是低電平了，而是輸出高電平經(jīng)反相組件后再成為低電平，通過按鍵同樣將與之交叉的輸入端口線拉低。所以，在查詢輸入端口時與圖2所示的是相同的，而在查詢掃描輸出有效端口時與圖2的就有所不同了。

　　圖2所示電路結(jié)構(gòu)查詢的是哪個端口掃描輸出低電平，有：

　　JNBPm.x，Key_gloze_i；

　　圖3所示電路結(jié)構(gòu)查詢的卻是哪個端口掃描輸出高電平，則：

　　JBPm.x，Key_gloze_i；

　　由圖4可知，若輸入端口Pn.2被拉低，且是端口Pm.3有效掃描輸出高電平，則有先查詢到Pn.2被拉低→再查詢到Pm.3掃描輸出高電平→揭出是18號鍵按下并賦予其相應(yīng)的解釋處理。依此類推。具體的程序跳轉(zhuǎn)如圖5所示，可見其過程都是位的查詢跳轉(zhuǎn)。

圖5? 鍵盤矩陣掃描程序跳轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.8? 執(zhí)行各對應(yīng)鍵具體處理

　　因為輸出口線為行線，與輸入口線為列線的交叉點是唯一的，故確定了輸出哪一端口與輸入哪一端口，也就確定了具體哪一個鍵(i號鍵)按下了，就能賦予該鍵相應(yīng)的解釋處理。整個過程中，沒必要區(qū)別哪個是數(shù)字鍵、哪個是功能鍵。每一個鍵的解讀都是等價的，是數(shù)字鍵就直接賦予其相應(yīng)的數(shù)值處理，是功能鍵就直接賦予其具體的功能解釋。

2.9? 置位鍵解讀標(biāo)志位

　　為保證鍵每閉合一次MCU只作一次處理，每一次鍵解讀后都將置鍵解讀標(biāo)志位為邏輯1。對于鍵解讀標(biāo)志位的置位，可以在每一個鍵解釋處理完畢后進(jìn)行，也可在消抖動延時后就進(jìn)行一次總置。不管鍵有多少個，鍵解讀標(biāo)志位用的卻是同一個。

　　其實，引入了鍵解讀標(biāo)志位，不只是控制鍵每閉合一次MCU只作一次處理，還可對那些持久按著的鍵有控地進(jìn)行多次處理(如用于對一些數(shù)據(jù)遞進(jìn)、或遞減的連續(xù)設(shè)置等)。

3? 原理綜述

　　本文提出基于布爾處理的鍵盤矩陣解讀方法。其原理如下：

　　在鍵盤矩陣掃描時，首先檢查有否鍵按動。若無鍵按動，則清零一次鍵解讀標(biāo)志位就返回；若有鍵按下，則再查詢鍵解讀標(biāo)志位是邏輯0還是邏輯1。如果是邏輯1，表明本次按鍵已解讀過，可直接從鍵掃描處理程序中返回；如果是邏輯0，說明本次按鍵尚未解讀過，則啟用消抖動延時。經(jīng)消抖動延時后即查詢鍵盤矩陣輸入口線的各端口是否有拉低。若一個端口也沒被拉低，則說明本次按鍵無效，那可能是某種干擾引起的“抖動”，立即從鍵掃描處理程序中返回；若查詢到其中之一端口的電平被拉低了，則表明本次按鍵盤是有效的，將跳轉(zhuǎn)查詢與之相交的那個掃描有效輸出口線，進(jìn)而確定具體是哪一個鍵按下，并跳轉(zhuǎn)賦予其相應(yīng)的解釋處理。解釋處理后，置鍵解讀標(biāo)志位為邏輯1再返回，即完成一次鍵盤矩陣的掃描解讀。

　　不管鍵盤矩陣有多少個鍵，其掃描確定一個具體鍵所需位查詢的總次數(shù)S不會大于行數(shù)x與列數(shù)y之和；但也不少于2次，即2≤S≤x+y。如上述的6×5矩陣，最多所需位查詢總次數(shù)S=5+6=11。當(dāng)?shù)?0號鍵按下，查詢到最后一列Pn.4端口電平被拉低，繼而跳轉(zhuǎn)查詢到有效掃描輸出是最后一行Pm.5端口；但至少所需位查詢總次數(shù)S=1+1=2。當(dāng)1號鍵按下，先查詢到第1列Pn.0端口電平被拉低，繼而跳轉(zhuǎn)查詢到有效掃描輸出是第1行Pm.0端口。

結(jié)語

　　運用布爾位操作處理進(jìn)行鍵盤矩陣的解讀，可適用于所有基于MCU的智能化儀器儀表中鍵盤矩陣的解讀。運用布爾位操作方式,改變了傳統(tǒng)的用數(shù)據(jù)字節(jié)處理方式。掃描解讀過程中，沒有鍵值計算，沒有鍵對應(yīng)的特征值返回，同時也省去了求鍵值時以輔助保存原值的行值、列值緩沖寄存器等，有的只是位的操作查詢。構(gòu)成鍵盤矩陣的輸入口線可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。在電路設(shè)計布線時，哪一個端口方便就用哪個端口作鍵盤矩陣輸入線。換言之，輸入口線可隨意分散在不同P口中，這種靈活、便捷的方式是傳統(tǒng)的用鍵值處理的方式所不及的；同時也改變了傳統(tǒng)的為了保證鍵每閉合一次MCU只作一次處理，需等待鍵釋放后才對其進(jìn)行鍵解釋處理的做法。整個鍵盤矩陣的掃描顯得簡捷、高效，鍵盤矩陣的解讀更為明快、準(zhǔn)確。