基于有限狀態機的STM32系統按鍵識別方法

唐 飛， 查長禮

（安慶師范學院 物理與電氣工程學院，安徽 安慶 246133）

0 引 言

按鍵是用戶與嵌入式系統進行交互的常用設備，因其簡單實用、成本低，因而得到了廣泛應用。嵌入式系統因體積所限，一般使用非編碼按鍵，依靠程序識別按鍵的動作和按鍵編碼。按鍵控制程序應能夠管理按鍵按下、按鍵防抖、鍵值判別、按鍵彈起等任務，并識別單擊、雙擊、長按、連發等按鍵模式。

當今的嵌入式系統體積越來越小，需要實現一鍵多“能”，因此，識別按鍵的單擊、雙擊、長按的功能也越來越受到重視。

1 按鍵的識別策略

嵌入式系統工作時，用戶使用按鍵的時間對于系統而言是隨機的，因此，系統需要采用一定的策略對按鍵進行掃描，以識別按鍵的動作。常用按鍵掃描方法有以下幾種[1]。

1.1 程序延時掃描法

利用CPU的空閑時間不斷對按鍵進行掃描，直到檢測到按鍵動作，轉去處理按鍵為止。此種方法簡單易行，程序容易編寫，但CPU效率低，CPU繁忙時，按鍵不能得到及時響應，實時性差。

1.2 外部中斷掃描法

按鍵按下時觸發中斷，CPU暫停當前執行程序，轉向處理按鍵，處理完畢再返回主程序運行。此種方法CPU的利用率高，但占用了中斷系統資源，中斷系統發生沖突時不能及時響應按鍵動作。

1.3 定時器掃描法

借鑒了操作系統中時間片的思想，使用定時器每隔一定時間對包括按鍵在內的各個任務進行掃描，如按鍵動作，則處理按鍵，否則執行下一項任務。該方法CPU利用率高，各個任務劃分時間片輪流執行，不會因為某個任務占用CPU時間過長造成其它任務沒有響應。

綜上所述，定時器掃描法在處理多任務時具有較大的優勢，因此在嵌入式系統中應優先使用，同時，該方法還需要配合有限狀態機才能達到理想的效果。

2 基于狀態機的按鍵掃描方法

2.1 狀態機概述

有限狀態機（Finite－State Machine，FSM）或有限狀態自動機簡稱狀態機，是表示有限個狀態以及在這些狀態之間的轉移和動作等行為的數學模型[2]。有限狀態機的思想廣泛應用于硬件控制電路設計，也是軟件上常用的一種處理方法。它把復雜的控制邏輯分解成有限個穩定狀態，在每個狀態上判斷事件，變連續處理為離散數字處理，符合計算機的工作特點。同時，有限狀態機具有有限個狀態，所以可以在實際的工程上實現。

有限狀態機可歸納為4個要素，即現態、條件、動作、次態。現態和條件是事件起因，動作和次態是最后的結果。當條件被滿足時將會觸發做動作，動作執行完畢后，可以遷移到新的狀態（次態），也可以保持原狀態。

依據有限狀態機的狀態轉移關系和轉移條件，可以把一個非常復雜的事件變成一個依據狀態編碼內容進行轉移的多分支的結構，很容易用C語言來實現。因此，把有限狀態機作為一種方法導入程序設計中，實現程序對流程和行為的準確分析和表達，縮短了系統的開發時間，增強了系統的可靠性[3－7]。

2.2 按鍵模式和狀態分析

在嵌入式系統中，按鍵識別的任務是確定按鍵的鍵值和按鍵動作模式。鍵值可由程序判別并分配，常用的按鍵模式分為單鍵模式和復鍵模式兩類。單鍵模式一次按鍵只輸出一個有效按鍵，而復鍵模式一次按鍵可以輸出多個有效按鍵，通常通過按鍵按下時間的長短來區別。單鍵類一般有3種模式：琴鍵模式、單發模式和乒乓模式；復鍵類一般有長按模式、連發模式和組合鍵模式[8]。具體區別見表1。

表1 按鍵模式分類

在STM32系統中，單發模式、長按模式和連發模式較為常用，單發模式組合還可形成雙擊動作。進一步分析每一次的按鍵動作，也可以看作一個狀態機，每次的擊鍵動作使按鍵形成了彈起、抖動、短按、長按和釋放等狀態。當按鍵按下之后觸發動作，動作執行完畢之后按鍵遷移到新的狀態，直至最終確定按鍵的模式。按鍵的狀態遷移如圖1所示[9]。

圖1 按鍵狀態轉換圖

2.3 按鍵識別系統的程序設計

嵌入式系統中，基于Cortex－M3架構的32位ARM處理器發展迅速，STM32微控制器是意法半導體（ST Microelectronics）公司推出的基于Cortex－M3內核的系列微處理器，具有高性能、低成本、低功耗的特點，得到了廣泛應用。因此，研究基于STM32的按鍵驅動程序具有十分積極的意義[10]。

GPIO（General Purpose Input Output）是STM32的輸入、輸出設備，STM32提供了80個雙向GPIO口，分布在A～E這5個端口中。文中設按鍵接于GPIOA.0口，通過讀取GPIOA.0口的狀態即可檢測出按鍵的狀態。STM32的按鍵接口如圖2所示。

圖2 STM32的按鍵接口

根據上文分析，程序采用定時掃描法定時對按鍵進行掃描。綜合考慮按鍵的響應速度和其它任務需求，確定按鍵掃描時間為10ms。因此，需要使用STM32中的SysTick Timer進行定時，配置相應的時鐘，產生中斷標志位，控制主程序每隔10ms掃描一次按鍵。

STM32通過GPIO口掃描按鍵主要有以下幾個步驟：

1）開啟所用端口的時鐘；

2）配置GPIOA.0口為上拉輸入模式；

3）配置SysTick時鐘，使之每10ms產生一個標志，控制對按鍵的掃描；

4）調用按鍵掃描函數掃描按鍵。

按鍵的每次擊鍵動作可分為4個狀態，按鍵的動作模式分為3種，分別見表2和表3。

表2 按鍵狀態表

表3 按鍵模式表

主程序調用函數KeyScan（）掃描按鍵，若按鍵動作，則判明按鍵狀態，在動作的觸發下完成按鍵狀態的遷移，返回按鍵動作模式的類型。具體描述如下：

1）按鍵初始為彈起狀態，標記為狀態0。每隔10ms主程序調用函數掃描按鍵，若GPIOA.0電平為1，則按鍵未按下，按鍵狀態保持在狀態0；若GPIOA.0電平為0，則按鍵按下，按鍵狀態遷移至防抖狀態。

2）按鍵進入防抖狀態，標記為狀態1。每隔10ms主程序再次掃描按鍵，若GPIOA.0電平為1，則上次得到的按鍵按下信息是由于抖動或外界干擾造成的誤判，按鍵狀態返回狀態0；若GPIOA.0電平為0，表明按鍵確實按下，按鍵狀態遷移至短按狀態。

3）按鍵進入短按狀態，標記為狀態2，同時啟動計數變量對按鍵按下的時間開始計數。每隔10ms主程序掃描一次按鍵，若GPIOA.0電平為1，則按鍵已經彈起，按鍵狀態返回狀態0，同時返回按鍵動作模式為單擊S；若GPIOA.0電平為0，表明按鍵持續按下，按鍵狀態保持在短按狀態，同時計數變量開始加1計數，若計時時間（計數值乘以10ms）大于1s而按鍵狀態仍維持在狀態2，表明按鍵動作模式為長按，按鍵狀態轉移至長按狀態。

4）按鍵進入長按狀態，標記為狀態3。每隔10ms主程序掃描一次按鍵，若GPIOA.0電平為1，則按鍵已經彈起，按鍵狀態返回狀態0，此次長按狀態結束，返回按鍵動作模式為長按L；若GPIOA.0電平為0，表明該長按狀態持續，按鍵保持在長按狀態3。

按鍵掃描的函數如下所示，返回按鍵模式類型。其中，變量Key存儲讀取的按鍵引腳電平，變量KeyState表示按鍵的狀態，變量KeyPress－Time記錄按鍵按下時的計數數值，計數值乘以10ms即為按鍵按下的時間，變量KeyPressStyle表示按鍵模式的類型。因變量KeyState和Key－PressTime在函數每次調用時需要保存上一次調用時的數值，因此將其設置為靜態變量。

＃define N 0＃define S 1＃define L 2＃define C 3＃define KEY＿ON 0

unsigned char KeyScan（）

｛

static unsigned char KeyState＝0，KeyPress－Time＝0；／／按鍵狀態，按鍵按下時間

unsigned char Key，KeyPressStyle；／／按鍵動作模式

KeyPressStyle＝N；／／按鍵動作模式初始化為未正常按

Key＝GPIO＿ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO＿Pin＿0）＝＝KEY＿ON／／檢測按鍵電平

switch（KeyState）

｛

case 0：／／彈起狀態

if（！Key）KeyState＝1；／／按鍵按下則轉移至狀態1 else KeyState＝0；／／按鍵彈起返回至狀態0

break；

case 1：／／防抖狀態

if（！Key）｛KeyState＝2；KeyPress－Time＝0；｝／／按鍵按下則轉移至狀態2，計時變量清零

else KeyState＝0；

break；

case 2：／／短按狀態

if（Key）｛KeyState＝0；KeyPressStyle＝S；｝／／按鍵彈起返回狀態0，按鍵動作模式為單擊

else／／按鍵保持按下

｛

KeyPressTime＋＋；／／計數變量加1

if（KeyPressTime＞50）KeyState＝3；／／按鍵按下時間大于1秒，狀態轉移至狀態3

｝

break；

case 3：／／長按狀態

if（Key）KeyState＝0；／／按鍵彈起返回狀態0，按鍵動作模式為長按

else KeyPressStyle＝L；／／按鍵動作模式為長按

break；

｝

return KeyPressStyle；／／返回按鍵動作模式

｝

該函數由定時器控制，每隔10ms執行一次，每次執行時讀取GPIOA.0口的電平，存儲在變量Key中，然后進入由switch語句構成的狀態機中，根據按鍵狀態變量KeyState和Key的數值，確定輸出的按鍵動作類型KeyPressStyle和下一個狀態KeyState，返回給主調函數使用，返回值為0，表明按鍵無動作，返回值為1，表明按鍵單擊動作，返回值為2，表明按鍵長按動作。主程序中調用該函數，編寫程序即可實現按鍵的單擊、長按、連發、雙擊等功能，極大地擴展了單個按鍵的作用。

3 結 語

介紹了有限狀態機的原理和在嵌入式系統上進行程序設計的方法，并在此基礎上研究了基于定時器的按鍵掃描識別方法。將有限狀態機的思想引入按鍵識別的程序設計中，把按鍵過程劃分為多個狀態，以用戶的按鍵動作驅動在按鍵各個狀態之間的遷移，在STM32平臺上實現了對單個按鍵單擊、長按、連擊的判別，擴展了單個按鍵的應用。整個過程高效簡潔，降低了系統的復雜性，提升了系統的可靠性，是一種適合工程實際應用的方案。

[1]章樂多，蘭琴麗.嵌入式設備的按鍵設計優化研究[J].廣西輕工業，2011（7）：77－78.

[2]百度百科.有限狀態機[EB／OL].[2013－01－21].http：／／baike.baidu.com／view／115336.htm.

[3]劉媛媛.51單片機用有限狀態機算法實現順序控制[J].機械工程與自動化，2011（4）：42－44.

[4]何劍宇，劉兢兢.有限狀態機建模在嵌入式按鍵設計中的應用[J].沈陽師范大學學報：自然科學版，2012，30（2）：168－171.

[5]秦國棟.有限狀態機的嵌入式Linux按鍵驅動設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（4）：79－81.

[6]黃新林，王鋼，劉春剛.有限狀態機在單片機編程中的應用[J].哈爾濱理工大學學報，2008，13（4）：7－9.

[7]管庶安.單片機程序的狀態機模型[J].武漢工業學院學報，2004，23（2）：1－2.

[8]肖看，朱光喜，劉文予.FPGA按鍵模式的研究與設計[J].電子技術應用，2008（10）：45－47.

[9]馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[10]蒙博宇.STM32自學筆記[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.