关于矩阵键盘，使用电子表格辅助编程

qiushenghua

关于矩阵键盘，使用电子表格辅助编程 [复制链接]

 

最近在某个项目中需要用到按键检测，常规想法是矩阵键盘，于是就这么做下去了。
后来在编程的时候发现，实现按键检测并不是一件容易的事情，特别是有多个按键同时按下的情况下。
在这个过程中逻辑太容易乱了，于是借助了电子表格工具（WPS或者Excel），试图节省工作量。
后来发现效果确实不错，于是在这里分享一下。

绘制PCB使用的是Altium Designer 10，但是家中未安装该软件，于是使用DesignSparkPCB将原理图重新绘制了一遍，大家将就着看。


我们的目的是实现2*3的矩阵键盘的检测，思路大概是这样的：
1.将Row1置低，其他管脚设置为带有上拉的输入状态，将其状态记录下来。
2.将Row2置低，其他管脚设置为带有上拉的输入状态，记录输入结果并计算按键状态。

或许大家觉得这个过程很容易，一看Col哪个被拉低就知道是哪个按键被按下了。
其实却不是这样，有可能存在多个按键共同作用导致某个Col被拉低的情况。
为什么不用Col来扫描？——因为扫描Row只需要扫描2回，扫描Col需要扫描3回。

为了解决这个问题，尽可能多的检测出多个按键按下的不同状况，我使用了大名鼎鼎的电子表格（俗称Excel），来实现这个检测。

作为6个按键，有2^6=64种不同的状态，所以我们可以通过电子表格的自动填充功能实现这个工作。
我们将A列定义为64种不同状态（0-63）
然后在B2单元格内输入“=dec2bin(A2，6)”，将A列的数据转换为二进制数
C列表头为SW1，C2单元格“=LEFT(B2,1)”,即二进制数左端第1个数
D列表头为SW2，D2单元格“=RIGHT(LEFT(B2,2),1)”，即二进制数左端取2个，再从这两个里取右端的一个，也就是左起第二个数

同理：
E列表头SW3，E2单元格“=RIGHT(LEFT(B2,3),1)”
F列表头SW4，F2单元格“=RIGHT(LEFT(B2,4),1)”
G列表头SW5，G2单元格“=RIGHT(LEFT(B2,5),1)”
H列表头SW6，H2单元格“=RIGHT(B2,1)”

完成上述步骤之后，我们空出一列来（I列），接下来计算按键按下之后产生的逻辑关系，这也是最让人头疼的问题。

为了节省列宽（屏幕大小有限，可以显示更多内容），我们将J1单元格输入R2（Row_2）,K1单元格输入C1（Col_1）,L1=C2,M1=C3
为什么没有R1？——这里计算的是R1设定为低的情况下其他信号线的输入状态，R1一定为0。
接下来就是信号怎么判断了。

由于上拉是弱上拉，在按键按下的时候，如果对应行是低电平，那么列会被拉低。
在这里我们约定，如果SW1=1，表示SW1按下，其余按键以此类推。
在R1=0时，要让R2也等于0，那么需要SW1和SW4同时按下，或者SW2和SW5同时按下，又或者SW3和SW6同时按下。
于是，J2单元格（Row2列）的逻辑就是“=IF(C2*F2+D2*G2+E2*H2,0,1)”（组合逻辑不要忘记了）

接下来计算Col1列，这个时候刚刚计算得到的Row2列的结果可以用到。
我们知道，如果Row1为低，且SW1按下，那么Col为低，如果Row2为低，且SW4为低，那么Col也为低。
故K2单元格:“=IF(C2+F2*(1-J2),0,1)”
L2:“=IF(D2+G2*(1-J2),0,1)”
M2:“=IF(E2+H2*(1-J2),0,1)”

继续空一列（N列），有了之前的经验，很容易填写下面的单元格：
O2:“=IF(C2*F2+D2*G2+E2*H2,0,1)”
P2:“=IF(F2+C2*(1-O2),0,1)”
Q2:“=IF(G2+D2*(1-O2),0,1)”
R2:“=IF(H2+E2*(1-O2),0,1)”

然后选中这一行的所有数据，向下填充到65行（表头占一行，数据有64行）
效果如下图所示：


有人要问了，不就是计算个逻辑吗，何必搞的那么复杂呢？又是公式又是填充的。
请稍等，先来段广告，精彩稍后继续。。。


刚刚说了那么久，还没提到电气连接是怎么样的。
这个项目原本我是用STM32实现的，但是，这里是MSP430板块嘛，那么我就移植一下咯，用最常见的MSP430G2553来做。
R1：P1.4
R2：P1.3
C1：P1.2
C2：P1.1
C3：P1.0
初始化的代码就不写了，定义两个宏：

1. #define R1OUT() do{\
   
2. P1DIR &= ~BIT3;\
   
3. P1OUT |= BIT3;\
   
4. P1REN |= BIT3;\
   
5. P1REN &= ~BIT4;\
   
6. P1OUT &= ~BIT4;\
   
7. P1DIR |= BIT4;\
   
8. }while(0)
   
9. 
   
10. #define R2OUT() do{\
    
11. P1DIR &= ~BIT4;\
    
12. P1OUT |= BIT4;\
    
13. P1REN |= BIT4;\
    
14. P1REN &= ~BIT3;\
    
15. P1OUT &= ~BIT3;\
    
16. P1DIR |= BIT3;\
    
17. }while(0)

复制代码

那么我们可以分两轮扫描，定期执行。
第一轮扫描R2OUT()运行时的P1IN，读取完毕执行R1OUT()。
第二轮扫描R1OUT()运行时的P1IN，读取完毕执行R2OUT()。

那么我们可以知道，第一轮扫描的时候，R2是输出，我们需要读取P1.4 P1.2 P1.1 P1.0的键值。
第二轮扫描的时候，R1输出，我们需要读取P1.3 P1.2 P1.1 P1.0的键值。
由于使用了连续的寄存器，所以我们能够很方便的使用一个寄存器Key_Buffer来储存键码。
于是，我们只需要在第一轮扫描的时候将寄存器清除，再将键值搬运到寄存器的高4位，
在第二轮扫描的时候直接将寄存器加上P1IN的低4位即可。

1. void Key_Scan()
   
2. {
   
3.         static unsigned char count=1;
   
4.         static unsigned char Key_Buffer=0;
   
5.         static unsigned char Key_States=Key_Old_States=Key_Press=Key_Bottom_up=0;
   
6. 
   
7.         if(count&0x01)//奇数轮
   
8.         {
   
9.                 unsigned char temp=0;
   
10.                 temp=P1IN;
    
11.                 Key_Buffer=((temp&0x07)<<4)+((temp&0x10)<<3);
    
12.                 R1OUT();               
    
13.         }
    
14.         else//偶数轮
    
15.         {
    
16.                 Key_Buffer+=(P1IN&0x0f);
    
17.                 R1OUT();
    
18.                
    
19.         }
    
20.         count++;
    
21. }

复制代码

眼尖的可能见到了，我还定义了Key_States，Key_Old_States，Key_Press和Key_Bottom_up一共4个变量，它们是用来干嘛的呢？
我们接着看。
这个扫描结果对应的是表格里J-M，O-R列的数值，而我们需要的是C到H列里各个按键的状态，如果有办法将其转换一下就好了。
好吧，我们回到电子表格里继续计算。
老规矩，空出一列（S列）作为分隔，我们的Key_Buffer在经过奇偶两轮的运算之后，是J-M，O-R列数据拼接而成的数值。
于是我们在T2单元格模仿这个运算，填入“=J2&K2&L2&M2&O2&P2&Q2&R2”，在电子表格里，&既不是与运算也不是按位与运算，而是字符串拼接运算。
继续往后看，U2单元格“=bin2dec（T2）”将这个结果向下填充，得到了最终版本的Sheet1。
（后续运算如果在这个工作表基础上继续下去，将破坏本表格的完整性，所以将Sheet中所有数据复制到Sheet2中继续进行。）
现在表格长这个样子了:


刚刚说了，将Sheet1复制了一份在Sheet2表，我们接着算。
我们留意到，在U2列里出现了好多相同的数据，这说明扫描得到的结果是一样的，但是键码却不一样。于是我们要找出这些无法判断键码的键值来。
在V2单元格填入“=COUNTIF(U:U,U2)”，向下填充。
于是看到了好多次数超过一次的。选中A-V列，自定义排序，选择有标题行，按照V列降序，U列升序，A列升序的次序排列。
我们截选了一段键值一样的扫描结果：

从这段表格可以看出，在SW1，SW2，SW4同时按下的时候，无法判断SW5是否按下。
结合原理图，我们发现，在在SW1，SW2，SW4同时按下的时候，
Row1，Row2，Col1，Col2均被短路，按下或者不按下SW5，均无法改变这个结果。
换句话说就是在这样的情况下从电路上就没办法检测出SW5了。
对于这样的检测结果，最好的处理办法就是认为它就是上一次的键码。
于是，我们先在表格里删除这些扫描结果重复了的行（一共有34行，超过了一半）。

回到IDE里面，Key_Buffer这个变量是在偶数轮扫描完成之后得到结果的，也就是我们的扫描键值。
那么最简单的处理方式就是：

1.                 Key_Old_States=Key_States;
   
2.                 switch(Key_Buffer)
   
3.                 {
   
4.                 case 51:Key_States=36;break;
   
5.                 case ……
   
6.                 }

复制代码

虽然就已经删除了三十多行，可还有三十行呢，一个个数敲进去简直痛苦死了。那么我们继续：
我们发现，关键就在于“case 51:Key_States=36;break;”，如果能够自动生成这样的语句，那么就简单多了。
于是在W2单元格内敲入：

1. ="case "&U2&":Key_States="&A2&";break;"

复制代码

向下填充：

开开心心将其复制进IDE里，代码就完成了。
最后别忘记补充一句“default:break;”
毕竟我们删除了那么多的重复键值，直接保持Key_State的结果不变就好了。

然后，Key_Press和Key_Bottom_up怎么办呢？
很简单，检查到Key_States==Key_Old_States，那就可以认为没发生按键动作。

1. Key_Press=((Key_States^Key_Old_States)&Key_States);
   
2. Key_Bottom_up=((Key_States^Key_Old_States)&Key_Old_States);

复制代码

怎么根据按键来实现具体功能就不提了，大家都会的。等会沙发楼上完整代码。

qiushenghua

1. void Key_Scan()
   
2. {
   
3.         static unsigned char count=1;
   
4.         static unsigned char Key_Buffer=0;
   
5.         static unsigned char Key_States=0;
   
6.         static unsigned char Key_Old_States=0;
   
7.         if(count&0x01)//奇数轮
   
8.         {
   
9.                 unsigned char temp=0;
   
10.                 temp=P1IN;
    
11.                 Key_Buffer=((temp&0x07)<<4)+((temp&0x10)<<3);
    
12.                 R1OUT();               
    
13.         }
    
14.         else//偶数轮
    
15.         {
    
16.                 Key_Buffer+=(P1IN&0x0f);
    
17.                 R1OUT();
    
18.                 Key_Old_States=Key_States;
    
19.                 switch(Key_Buffer)
    
20.                 {
    
21.                         case 51:Key_States=36;break;
    
22.                         case 85:Key_States=18;break;
    
23.                         case 102:Key_States=9;break;
    
24.                         case 143:Key_States=56;break;
    
25.                         case 158:Key_States=49;break;
    
26.                         case 159:Key_States=48;break;
    
27.                         case 173:Key_States=42;break;
    
28.                         case 175:Key_States=40;break;
    
29.                         case 188:Key_States=35;break;
    
30.                         case 189:Key_States=34;break;
    
31.                         case 190:Key_States=33;break;
    
32.                         case 191:Key_States=32;break;
    
33.                         case 203:Key_States=28;break;
    
34.                         case 207:Key_States=24;break;
    
35.                         case 218:Key_States=21;break;
    
36.                         case 219:Key_States=20;break;
    
37.                         case 222:Key_States=17;break;
    
38.                         case 223:Key_States=16;break;
    
39.                         case 233:Key_States=14;break;
    
40.                         case 235:Key_States=12;break;
    
41.                         case 237:Key_States=10;break;
    
42.                         case 239:Key_States=8;break;
    
43.                         case 248:Key_States=7;break;
    
44.                         case 249:Key_States=6;break;
    
45.                         case 250:Key_States=5;break;
    
46.                         case 251:Key_States=4;break;
    
47.                         case 252:Key_States=3;break;
    
48.                         case 253:Key_States=2;break;
    
49.                         case 254:Key_States=1;break;
    
50.                         case 255:Key_States=0;break;
    
51.                         default:break;
    
52.                 }
    
53.                 Key_Press=((Key_States^Key_Old_States)&Key_States);
    
54.                 Key_Bottom_up=((Key_States^Key_Old_States)&Key_Old_States);
    
55.         }
    
56.         count++;
    
57. }

复制代码

lkl0305

多谢分享！！学习了

ljj3166

真不错
顶一个，过段时间也许会用得上

exiao

赞一个，他山之石，可以攻玉

mark86739851

不错，很棒的方法

君羽落

厉害啊

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Mark，用电脑的时候看

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不错不错，学习到了

数码小叶

好复杂的说。。。。。。。

416202554

学习了，顺便收藏

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好资源，真心好楼主，学习学习，真心希望电子工程世界这个论坛越来越好，希望大家都能来支持楼主

pywmiss

6个按键有这么多组合啊!!!
我们一般用不上啊...
我这里有个项目也是6个按键...有长按,短按,组合按...程序我没有做得这么复杂...

littleshrimp

这个工程实际测试效果怎么样