一個(gè)即簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)又穩(wěn)定可靠的獨(dú)立按鍵檢測(cè)設(shè)計(jì)方案

羅立輝

【摘要】本文首先簡(jiǎn)要介紹了獨(dú)立按鍵檢測(cè)主動(dòng)查詢與中斷查詢這兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)這兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本文著重討論了具有跟大優(yōu)勢(shì)的中斷查詢方式的按鍵檢測(cè)方案的實(shí)現(xiàn)原理和過(guò)程。并且，針對(duì)按鍵普遍存在的抖動(dòng)問(wèn)題，本文由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)渡方式，詳細(xì)深入地介紹進(jìn)行方案的優(yōu)化和改良的目的以及方法。

【關(guān)鍵詞】按鍵延時(shí)抖動(dòng)掃描

1主動(dòng)查詢方式的優(yōu)缺點(diǎn)

對(duì)于主動(dòng)循環(huán)查詢方式，最大的優(yōu)點(diǎn)在于原理簡(jiǎn)單，比較適合于MCU處理的任務(wù)不是特別多的情況。如果MCU大循環(huán)的輪詢周期較長(zhǎng)，很有可能在按鍵按下的瞬間錯(cuò)過(guò)了。這是主動(dòng)查詢方式的最大缺點(diǎn)。另外，該方式比較浪費(fèi)CPU的時(shí)間資源。檢測(cè)按鍵的處理程序需要有個(gè)延遲消抖的過(guò)程。對(duì)于機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，一般需要的的延遲消抖時(shí)間為10ms。很多程序都是使用一般的延時(shí)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)消抖的目的。然而對(duì)于很多復(fù)雜的產(chǎn)品，CPU需要執(zhí)行繁重的任務(wù)。在10ms時(shí)間里，CPU可以執(zhí)行上千上萬(wàn)條其他任務(wù)的匯編指令。

2中斷查詢的方式的優(yōu)缺點(diǎn)

中斷查詢方式主要缺點(diǎn)在于，該方式需要占用MCU一個(gè)外部中斷功能（有些功能簡(jiǎn)單、價(jià)錢低廉的MCU，其IO引腳復(fù)用功能資源有限），以及處理程序稍微復(fù)雜一下。與主動(dòng)查詢相比，中斷查詢方式則有響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。一旦有中斷響應(yīng)，CPU一定立即響應(yīng)中斷請(qǐng)求。因此，中斷查詢方式不存在“錯(cuò)過(guò)”、“漏檢”的情況。按鍵檢測(cè)的原理圖設(shè)計(jì)圖1所示：

圖1 按鍵檢測(cè)的原理圖設(shè)計(jì)圖

在原理圖1設(shè)計(jì)中，為了檢驗(yàn)按鍵被按下，MCU在中斷服務(wù)程序里，通過(guò)程序翻轉(zhuǎn)LED亮滅狀態(tài)，以便讀者更容易理解其中的原理機(jī)制。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，每按一下按鍵，LDE燈都實(shí)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)的動(dòng)作。該函數(shù)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。在中斷函數(shù)里，筆者使用了簡(jiǎn)單的的概率統(tǒng)計(jì)方法，提高準(zhǔn)確性。這個(gè)中斷服務(wù)程序運(yùn)行的時(shí)間大概為5us*20=0.1ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于相對(duì)通常的軟件延時(shí)方式所用的10ms，因此提高了CPU對(duì)資源的使用效率。但是，以上的中斷服務(wù)程序尚未徹底解決處理機(jī)械彈性按鍵本質(zhì)上所具有的脈沖抖動(dòng)的問(wèn)題。首先，筆者在此描述以上程序運(yùn)行起來(lái)后有何不良癥狀。有些情況下，按下一次按鍵，LED燈會(huì)翻轉(zhuǎn)2遍。有極少數(shù)情況下，LED甚至連續(xù)翻轉(zhuǎn)3到4次。這種現(xiàn)象不是用戶所期望的。這說(shuō)明以上程序設(shè)計(jì)仍達(dá)不到穩(wěn)定的要求，很有必要進(jìn)行再深入的代碼優(yōu)化。

結(jié)合以上給出的中斷服務(wù)程序，我們就很容易理解LED連續(xù)翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象了。不論圖中提到的前沿抖動(dòng)還是后沿抖動(dòng)，均可能導(dǎo)致CPU再次、多次進(jìn)入中斷處理程序。因此，問(wèn)題的重點(diǎn)在于，如何通過(guò)優(yōu)化算法和代碼，在按鍵抖動(dòng)期間，避免多次進(jìn)入中斷，或者避免進(jìn)入中斷后重復(fù)執(zhí)行相同的任務(wù)。本文從實(shí)現(xiàn)的難易程度這個(gè)角度考慮，選擇了后者，即結(jié)合MCU定時(shí)器的功能，達(dá)到了“避免進(jìn)入中斷后重復(fù)執(zhí)行相同的任務(wù)”的目的。

以下筆者講解了在原有程序的基礎(chǔ)上，如何結(jié)合MCU定時(shí)器的功能，進(jìn)一步徹底解決按鍵抖動(dòng)帶來(lái)的不穩(wěn)定問(wèn)題。考慮到有部分讀者的基礎(chǔ)可能不是太好，為了降低本文設(shè)計(jì)思路的理解難度，筆者認(rèn)為很有必要先給讀者簡(jiǎn)要介紹一下有關(guān)定時(shí)器幾個(gè)非常經(jīng)典的函數(shù)及其功能意義。關(guān)于定時(shí)器，有以下5個(gè)相關(guān)的函數(shù)：

函數(shù)1：void clock_init（void）

對(duì)于函數(shù)1，顧名思義，該函數(shù)就是要對(duì)定時(shí)器temer進(jìn)行初始化，否則函數(shù)2～5無(wú)效。

函數(shù)2：void timer_set（struct timer *t， clock_time_t interval）

該函數(shù)用于設(shè)置某定時(shí)器timer需要的時(shí)間間隔interval大小（以ms為單位）。這就好比如有個(gè)漏水的水龍頭。水龍頭間隔恒定時(shí)間里每一滴的滴水大小，相當(dāng)于函數(shù)里定時(shí)器的最小計(jì)數(shù)單位。水龍頭下面有個(gè)刻有刻度的水杯。而這里的interval，則相當(dāng)于水杯的容量。

函數(shù)3：int timer_expired（struct timer *t）//判斷定時(shí)器timer是否時(shí)間滿了，為真返回1，否則返回0。這就好比如，某人外出走開(kāi)了，在她回來(lái)之前看到水杯的前一刻，她不知道水杯是否滿了，因?yàn)樗恢雷约弘x開(kāi)了多長(zhǎng)時(shí)間。而水杯里的水從完全沒(méi)水到剛好積滿這個(gè)時(shí)間差，永遠(yuǎn)都是固定的。如果一直沒(méi)人將水杯倒掉，超過(guò)這個(gè)時(shí)間差，則水杯將一直處于溢出的狀態(tài)。當(dāng)她回來(lái)查看水杯到底滿了還是沒(méi)滿的這個(gè)動(dòng)作，相當(dāng)于程序執(zhí)行了該函數(shù)。她只有兩個(gè)可能的結(jié)果，要么水杯滿了，要么還沒(méi)滿。

函數(shù)4：void timer_reset（struct timer *t）//復(fù)位定時(shí)器timer。該函數(shù)相當(dāng)于水杯匯聚的滴水，不論水杯里的水有多滿，一律將水全倒掉，在將水杯放回水龍頭下面重新積水。

函數(shù)5：void timer_restart（struct timer *t）//重啟定時(shí)器timer。這個(gè)函數(shù)就好比如有個(gè)電子鬧鐘，有人將里面的電池拆下來(lái)后，又馬上將電池重新安裝回去。這樣，這個(gè)電子鬧鐘就“重啟”了。

由于優(yōu)化后的中斷服務(wù)程序中，添加了if（timer_expired（&key_timer））等相關(guān)語(yǔ)句，自按鍵被按下后，在接下來(lái)key_timer限定的50ms之內(nèi)，除了第一次中斷函數(shù)能進(jìn)入該if語(yǔ)句里面執(zhí)行LED翻轉(zhuǎn)的語(yǔ)句，其它由抖動(dòng)導(dǎo)致的中斷服務(wù)程序均不能進(jìn)入該if語(yǔ)句執(zhí)行LED翻轉(zhuǎn)語(yǔ)句。只有當(dāng)key_timer限定的50ms滿了之后，程序才可以接受檢驗(yàn)按鍵下一次被按下的動(dòng)作。新程序重新下載到MCU后，經(jīng)測(cè)試部測(cè)試，已經(jīng)徹底解決了LED多次翻轉(zhuǎn)的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

目前該技術(shù)方案應(yīng)用在lemuse專業(yè)音箱等產(chǎn)品中已經(jīng)超過(guò)2年時(shí)間。事實(shí)充分論證了本文介紹的整個(gè)按鍵檢測(cè)方案具有很強(qiáng)的實(shí)用性、成本低廉、準(zhǔn)確性高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。