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[资料分享] 基于状态机的按键扫描的实现

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一粒金砂(高级)

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发表于 2018-5-16 22:09:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
一般的按键输入软件接口程序非常简单,在程序中一旦检测到按键输入口为低电平(有时可能为高),便采用软件延时的方法来进行消抖,然后再次检测按键输入,如果再次确认为低电平则表示有按键按下,转入执行按键处理程序。如果延时后检测的电平为高电平则放弃本次按键检测,重新开始一次按键检测过程。在简单的系统中这种方法比较可以用,但是在复杂的系统实时性要求较高的系统中这种方法的CPU利用率比较低,造成资源的浪费。另外,由于在不同的产品系统中对按键功能的定义和使用方式也会不同,而且是多变的,加上在测试和按键处理的同时,MCU还要同时处理其他的任务(如显示、计算、计时等),因此编写键盘和按键接口的处理程序需要掌握有效的分析方法,具备较高的软件设计能力和程序编写的技巧。而采用状态机的方法是一种比较好的方法。


何为状态机

    关于状态机的一个极度确切的描述是它是一个有向图形,由一组节点和一组相应的转移函数组成,状态机通过响应一系列事件而“运行”。每个事件都在属于“当前”节点的转移函数的控制范围内,其中函数的范围是节点的一个子集。函数返回“下一个”(也许是同一个)节点。这些节点中至少有一个必须是终态。当到达终态,状态机停止。

状态机是一种概念性机器,它能采取某种操作来响应一个外部事件。具体采取的操作不仅能取决于接收到的事件,还能取决于各个事件的相对发生顺序。之所以能做到这一点,是因为机器能跟踪一个内部状态,它会在收到事件后进行更新。为一个事件而响应的行动不仅取决于事件本身,还取决于机器的内部状态。另外,采取 的行动还会决定并更新机器的状态。这样一来,任何逻辑都可建模成一系列事件/状态组合。

状态机是软件编程中的一个重要概念。比如在一个按键命令解析程序中,就可以看做状态机,其过程如下:本来在A状态下,触发一个按键后切换到B,再触发另一个键后就切换到C状态,或者返回A状态。这是最简单的例子。其他的很多的程序都可以当做状态机来处理。

状态机可归纳为4个要素,即现态、条件、动作、次态。这样的归纳,主要是出于对状态机内在因果关系的考虑。“现态”和“条件”是因,“动作”和“次态”是果。详细如下:

现态:是指当前所处的状态。

条件:又称为“事件”。当一个条件满足,将会触发一个动作,或者执行一次状态的迁移。

动作:条件满足后执行动作。动作执行完毕后,可以迁移到新的状态,也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的,当条件满足后,也可以不执行任何动作,直接迁移到新状态。

次态:条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的,“次态”一旦被激活,就转变为新的“现态”了。

按键的状态机实现

一个按键从键按下到松开的过程如下如所示。从图中可以看出,按键的按下和松开的过程都有抖动的干扰问题,因此要将它们消除。


    可将将按键抽象为4个状态:

(1)    未按下,假定为S0

(2)    确认有键按下,假定为S1

(3)    键稳定按下状态,假定为S2

(4)    键释放状态,假定为S3。

(有时也可以抽象为3个状态S0,S1,S3)。

在一个系统中按键的操作是随机的,因此系统软件中要对按键进行循环查询。在按键检测过程中需要进行消抖处理,消抖的延时处理一般要10ms或20ms,因此取状态机的时间序列为10或20ms,这样不仅可以跳过按键消抖的影响,同事也远小于按键0.3-0.5S的稳定闭合其,不会将按键过程丢失。

假定键按下时端口电平为0,未按下时为1(或者相反)。通过状态机实现按键检测的过程如下:

首先,按键的初始态为S0,当检测到输入为1时,表示没有键按下,保持S0。当按键输入为0时,则有键按下,转入状态S1。

在S1状态时,如果输入的信号为1,则表示刚才的按键操作为干扰,则状态跳转到S0;如果输入信号为0,则表示确实有键按下,此时可以读取键状态,产生相应的按键标志或者将该事件存入消息队列。同时状态机切换到S2状态。

在S2状态,如果输入信号为1,则没有键按下,切换到S3;如果输入信号为0,则保持S2状态,并进行计数。如果计数值超过一定的门限值,则可以认为该按键为长按键事件或者键一直按下状态,如果未超过门限值,则认为是短按键事件,保持S2状态。

在S3状态,如果输入信号为高电平,则切换到S0.

上面就是采用状态机进行按键检测的过程。简单程序如下:

[cpp] view plain copy
enum key_states_e{  
    KEY_S1,  
    KEY_S2,  
    KEY_S3,  
    KEY_S4  
};  
void key_scan(void)  
{  
    static enum key_states_e key_state=KEY_S1;  
    static int press=0;  

    switch(key_state)  
    {  
        case KEY_S1:  
            if(GPIO_ReadInputDataBit(g_keys[0].port, g_keys[0].gpio)==1)  
                {key_state = KEY_S2;  
            }  
            else  
                key_state = KEY_S2;  
            break;  

        case KEY_S2:  
            if(GPIO_ReadInputDataBit(g_keys[0].port, g_keys[0].gpio)==1){  
                key_state = KEY_S3;  
                trace_notice(MID_KEY,"press\r\n");//相应的键操作处理程序  
            }else  
                key_state = KEY_S1;  

            break;  

        case KEY_S3:  
            if(GPIO_ReadInputDataBit(g_keys[0].port, g_keys[0].gpio)==1){  
                key_state = KEY_S3;  
                press++;  
                if(press>20){  
                    trace_notice(MID_KEY,"press2\r\n");//相应的计数操作,判断长短按键  
                }  
            }  
            else  
                key_state = KEY_S4;  

            break;  

        case KEY_S4:  
            if(GPIO_ReadInputDataBit(g_keys[0].port, g_keys[0].gpio)==1){  
                key_state = KEY_S1;  
                press = 0;  
            }  
            break;  

        default:  
            key_state = KEY_S1;  
            press = 0;  
            break;  
    }  

       在定时器中,定时10ms,定时到后在中断服务程序中调用上述函数,每次执行的间隔10ms,可以有效的消除消抖,提高CPU的利用率。

     同时可以将状态机应用于其他的程序中,一个串行通信的时序(不管它是遵循何种协议,标准串口也好、I2C也好;也不管它是有线的、还是红外的、无线的)也都可以看做由一系列有限的状态构成。显示扫描程序也是状态机;通信命令解析程序也是状态机;甚至连继电器的吸合/释放控制、发光管(LED)的亮/灭控制又何尝不是个状态机。

此帖出自TI C2000论坛


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