采用布爾處理的鍵盤(pán)矩陣解讀方法分析

運(yùn)用布爾處理技術(shù)對(duì)鍵盤(pán)矩陣進(jìn)行掃描解讀： 運(yùn)用“位”操作方式將整個(gè)鍵盤(pán)矩陣的掃描解讀過(guò)程歸結(jié)為一系列的“位”的操作；掃描解讀過(guò)程沒(méi)有鍵值計(jì)算、沒(méi)有鍵對(duì)應(yīng)的特征值返回；為便于電路板的設(shè)計(jì)布線，構(gòu)成鍵盤(pán)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(gè)鍵盤(pán)矩陣的掃描簡(jiǎn)捷、高效，解讀更為明快準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞 鍵盤(pán)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(shū)上以及可查閱的文獻(xiàn)資料中，有關(guān)MCU做鍵盤(pán)矩陣的掃描解讀，大都是通過(guò)逐行逐列掃描、鍵值計(jì)算、鍵對(duì)應(yīng)特征量返回、查表等數(shù)據(jù)處理的方式來(lái)進(jìn)行掃描解讀的。為此還得設(shè)定在求鍵值時(shí)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(huì)在程序運(yùn)行中等閉合鍵釋放后才對(duì)其進(jìn)行鍵解釋處理。這樣鍵盤(pán)的掃描解讀頗占CPU時(shí)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(pán)矩陣解讀方法。下面結(jié)合圖示并以6×5鍵盤(pán)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(pán)矩陣解讀方法，也就是使整個(gè)鍵盤(pán)矩陣的掃描解讀過(guò)程都能歸結(jié)為系列的布爾“位”的操作。掃描解讀過(guò)程主要包括如下步驟：定義各標(biāo)志位；鍵盤(pán)矩陣輸出線掃描；查詢有無(wú)鍵按下；查詢鍵解讀標(biāo)志位；消抖動(dòng)延時(shí)；查詢相對(duì)應(yīng)的哪個(gè)輸示端口電平有變化；查詢相對(duì)應(yīng)的哪個(gè)輸出端口輸出掃描電平；相對(duì)應(yīng)的哪個(gè)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(yùn)用偽指令來(lái)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(xiě)在源程序的頭文件上，是不會(huì)產(chǎn)生可執(zhí)行目標(biāo)代碼的，因而對(duì)標(biāo)志位定義的“操作”在圖1的程序流程簡(jiǎn)圖中就沒(méi)有表述。

圖1? 鍵盤(pán)矩陣掃描程序流程簡(jiǎn)圖

2.2? 鍵盤(pán)矩陣輸出線掃描

　　輸出線掃描過(guò)程也是通過(guò)逐個(gè)改變輸出行線端口的電平來(lái)實(shí)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(gè)循環(huán)的輸出低電平，也就是任何時(shí)候只有一個(gè)口線輸出低電平；通過(guò)鍵的按下接通，才有可能拉低相對(duì)應(yīng)輸入口線的端口電平。

圖2? 鍵盤(pán)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(gè)循環(huán)的輸出高電平，通過(guò)反相組件后掃描線才成為低電平；通過(guò)鍵的按下接通，同樣拉低相對(duì)應(yīng)輸入口線的端口電平。這樣將鍵盤(pán)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(pán)掃描的單獨(dú)執(zhí)行，把鍵盤(pán)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(wú)鍵按下

　　有無(wú)鍵按下自然是通過(guò)對(duì)鍵盤(pán)掃描輸入口狀況的查詢來(lái)確定的。有鍵按下，鍵盤(pán)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(gè)Pn口的（其中，n=0,1,2,…），那么可以用對(duì)整個(gè)Pn口的字節(jié)數(shù)據(jù)的判別來(lái)確定鍵有否按動(dòng)；也可運(yùn)用依次對(duì)Pn口的幾個(gè)端口Pn.y進(jìn)行位的查詢來(lái)確定有無(wú)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(jì)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(guò)依次地對(duì)輸入各端口的位狀態(tài)變化的查詢來(lái)確定有否鍵按下。若檢查到有鍵按下，就轉(zhuǎn)入到鍵盤(pán)矩陣掃描解讀程序；若沒(méi)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(shuō)明本次按鍵尚未解讀過(guò)，經(jīng)消抖動(dòng)延時(shí)后需進(jìn)一步對(duì)鍵盤(pán)矩陣的輸出、輸入口線進(jìn)行查詢來(lái)確定是哪一個(gè)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(guò)了，沒(méi)必要浪費(fèi)CPU時(shí)間，可直接從鍵掃描處理程序中返回。這就實(shí)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(duì)其進(jìn)行解釋的弊病。

2.5? 消抖動(dòng)延時(shí)

　　當(dāng)覺(jué)察有鍵按下、查詢鍵解讀標(biāo)志位為0時(shí)，就置位消抖動(dòng)延時(shí)標(biāo)志位及其輔助位進(jìn)入消抖動(dòng)延時(shí)處理。消抖動(dòng)延時(shí)的具體進(jìn)行可調(diào)備用的消抖動(dòng)延時(shí)程序；也可借助對(duì)系統(tǒng)大循環(huán)次數(shù)的計(jì)數(shù)或動(dòng)用MCU內(nèi)部定時(shí)器的中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)消抖動(dòng)延時(shí)，這樣就不必設(shè)置專門的延時(shí)程序而占用CPU的時(shí)間了。消抖動(dòng)延時(shí)結(jié)束時(shí)清零消抖動(dòng)延時(shí)標(biāo)志位及其輔助位。

2.6? 查詢哪個(gè)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(dòng)延時(shí)后就查詢鍵盤(pán)矩陣各輸入口線的電平是否有被拉低。若一個(gè)端口也沒(méi)被拉低，則說(shuō)明本次按鍵無(wú)效(可能是某種干擾引起的“抖動(dòng)”)，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(gè)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(gè)輸出口線。

2.7? 掃描哪個(gè)輸出口線輸出有效電平

　　圖2所示的鍵盤(pán)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(shí)哪一個(gè)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(gè)端口中是哪個(gè)端口輸出低電平，進(jìn)而確定具體哪一個(gè)鍵按下，跳轉(zhuǎn)至幾號(hào)鍵進(jìn)行解釋處理。任何時(shí)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(gè)Pm.x口，才會(huì)將列輸入Pn.y口的電平拉低。這時(shí)，鍵按下有效交叉的行、列相應(yīng)端口都處于低電平。

　　若運(yùn)用典型的51系列MCU的指令去寫(xiě)匯編程序來(lái)解讀矩陣的具體鍵時(shí)，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(shí)，跳轉(zhuǎn)至Key_matrix_j(j=y)
　　　　　　LJMPReturn
　　　??；若端口Pn.y一個(gè)也沒(méi)被拉低，則返回
　　Key_matrix_j： JNBPm.x，Key_gloze_i
　　　??；當(dāng)知曉Pn.y的某個(gè)端口被拉低，則再查詢Pm.x(x=0,1,2,3,4,5)的哪個(gè)端口掃描輸出低電平來(lái)確定具體是i號(hào)按鍵，則跳轉(zhuǎn)至Key_gloze_i(i=1,2,3,…,29,30)以對(duì)i號(hào)鍵作相應(yīng)的解釋處理
　　　　　　LJMPReturn
　　Key_gloze_1：…；1號(hào)鍵解釋處理
　　　　　　LJMPReturn
　　Key_gloze_2：…；2號(hào)鍵解釋處理
　　　　　　LJMPReturn
　　…
　　Key_gloze_29：…；29號(hào)鍵解釋處理
　　　　　　LJMPReturn
　　Key_gloze_30：…；30號(hào)鍵解釋處理
　　Return：RET；鍵盤(pán)矩陣掃描解讀返回

圖4? 鍵盤(pán)矩陣掃描倒樹(shù)形結(jié)構(gòu)

　　以上匯編語(yǔ)言所述的鍵盤(pán)矩陣掃描解讀過(guò)程，可借助圖4來(lái)較形象化地解釋。由圖4可見(jiàn)，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(gè)口有關(guān)聯(lián)，而每一Pn.y口線與Pm.x的6個(gè)口線中任一口線相交都揭出一個(gè)鍵(i號(hào))，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(hào)鍵按下并賦予其相應(yīng)的解釋處理。以此類推。

　　如果鍵盤(pán)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(guò)用于數(shù)碼顯示位驅(qū)動(dòng)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(guò)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(shí)與圖2所示的是相同的，而在查詢掃描輸出有效端口時(shí)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(gè)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(gè)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(hào)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(jiàn)其過(guò)程都是位的查詢跳轉(zhuǎn)。

圖5? 鍵盤(pán)矩陣掃描程序跳轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.8? 執(zhí)行各對(duì)應(yīng)鍵具體處理

　　因?yàn)檩敵隹诰€為行線，與輸入口線為列線的交叉點(diǎn)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(gè)鍵(i號(hào)鍵)按下了，就能賦予該鍵相應(yīng)的解釋處理。整個(gè)過(guò)程中，沒(méi)必要區(qū)別哪個(gè)是數(shù)字鍵、哪個(gè)是功能鍵。每一個(gè)鍵的解讀都是等價(jià)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(duì)于鍵解讀標(biāo)志位的置位，可以在每一個(gè)鍵解釋處理完畢后進(jìn)行，也可在消抖動(dòng)延時(shí)后就進(jìn)行一次總置。不管鍵有多少個(gè)，鍵解讀標(biāo)志位用的卻是同一個(gè)。

　　其實(shí)，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(duì)那些持久按著的鍵有控地進(jìn)行多次處理(如用于對(duì)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(pán)矩陣解讀方法。其原理如下：

　　在鍵盤(pán)矩陣掃描時(shí)，首先檢查有否鍵按動(dòng)。若無(wú)鍵按動(dòng)，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(guò)，可直接從鍵掃描處理程序中返回；如果是邏輯0，說(shuō)明本次按鍵尚未解讀過(guò)，則啟用消抖動(dòng)延時(shí)。經(jīng)消抖動(dòng)延時(shí)后即查詢鍵盤(pán)矩陣輸入口線的各端口是否有拉低。若一個(gè)端口也沒(méi)被拉低，則說(shuō)明本次按鍵無(wú)效，那可能是某種干擾引起的“抖動(dòng)”，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(pán)是有效的，將跳轉(zhuǎn)查詢與之相交的那個(gè)掃描有效輸出口線，進(jìn)而確定具體是哪一個(gè)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(pán)矩陣的掃描解讀。

　　不管鍵盤(pán)矩陣有多少個(gè)鍵，其掃描確定一個(gè)具體鍵所需位查詢的總次數(shù)S不會(huì)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(hào)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(hào)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(yǔ)

　　運(yùn)用布爾位操作處理進(jìn)行鍵盤(pán)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(pán)矩陣的解讀。運(yùn)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(guò)程中，沒(méi)有鍵值計(jì)算，沒(méi)有鍵對(duì)應(yīng)的特征值返回，同時(shí)也省去了求鍵值時(shí)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(pán)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(jì)布線時(shí)，哪一個(gè)端口方便就用哪個(gè)端口作鍵盤(pán)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(shí)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(duì)其進(jìn)行鍵解釋處理的做法。整個(gè)鍵盤(pán)矩陣的掃描顯得簡(jiǎn)捷、高效，鍵盤(pán)矩陣的解讀更為明快、準(zhǔn)確。