堪称一绝的“IO口扫键”法（附堪称一绝的按键扫描程序）

sonwendi

在网上看到一个关于扫描案件的帖子，挺好，贴来此处：



在做项目（工程）的时候，我们经常要用到比较多的按键，而且IO资源紧张，于是我们就想方设法地在别的模块中节省IO口，好不容易挤出一两个IO口，却发现仍然不够用，实在没办法了就添加一个IC来扫键。一个IC虽然价格不高，但对于大批量生产而且产品利润低的厂家来说，这是一笔不菲的开支!
那，我们能不能想到比较好的扫键方法：用最少的IO口，扫最多的键？可以吗？
举个例：给出5个IO口，能扫多少键？有人说是2*3＝6个，如图一：


                   　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图一

　　　对，大部分技术参考书都这么做，我们也经常这样做：用3个IO口作行扫描，2个IO作列检测（为方便描述，我们约定：设置某一IO口输出为“0”――称其为“扫某IO口”）。用行线输出扫键码，列线检测是否有按键的查询方法进行扫键。扫键流程：在行线依次输出011，101，110扫键值，行线每输出一个扫键值，列线检测一次。当列线检测到有按键时，结合输出的扫键值可以判断相应的按键。
但是，5个IO真的只能扫6个键吗？有人说可以扫9个，很聪明！利用行IO与地衍生3个键（要注意上拉电阻），如图二：


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图二

扫键流程：先检测3个行IO口，对K1’，K2’，K3’进行扫键，之后如上述2*3扫键流程。5个IO口能扫9个键，够厉害吧，足足比6个键多了1/2！
动动脑，还能不能再多扫几个？就几个？一个也行！好，再想一下，硬是被逼出来了！如图三：


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图三

不多不少，正好10个键！这种扫键方式比较少见吧！漂亮！扫键流程：设IO1输出为“0”，检测IO2…IO5，若判断有相应健按下，则可知有健；若无键，则继续扫键：设IO2输出为“0”，检测IO3，IO4，IO5，判断有无键按下，如此类推。这里应注意：当扫某一IO口（输出为“0”）时，不要去检测已经扫过的IO口。如：此时设置IO2输出为“0”，依次检测IO3,IO4,IO5，但不要去检测IO1，否则会出错（为什么，请思考）。
感觉怎么样？不错吧！让我们再看看图三，好有成就感！看着，看着……又看到了什么？快！见图四：


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图四

真强！被您看出20个键！多了一个对称的三角形。可是，像这样的排列能正确扫20个键吗？回答是肯定的：不能！上下三角形相互对称，其对称扫出的键无法区别。有没有注意到分析图三时提到的注意点？（à“当扫某IO口时，不要去检测已经扫过的IO口，否则会出错”）
我们分析一下图四：当IO1输出“0”时，按下K11或K11’键都能被IO2检测到，但IO2检测却无法区别K11和K11’键！同理，不管扫哪个IO口，都有两个对称的键不能区分。
我们假想，如果能把对称键区分开来，我们就能正常地去判断按键。我们在思考：有没有单向导通性器件？有！见图五！


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图五

很巧妙的思路！利用二极管的单向导通性，区别两个对称键。扫键思路：对逐个IO口扫键，其他四个IO口可以分别检测其所在的四个按键。这样，就不会有分析图三时提到的注意点。
够酷吧！等等，大家先别满足现状，我们再看一下图二，是不是有点启发？对，我们再分析一下“用5个IO口对地衍生的5个键”。看图六：


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图六

25个键！5个IO口扫出25个键！先别激动，我们再分析一下它的可行性，分析通得过才能真正使用。假设扫键流程：先扫对地的5个键，再如图五扫键。先扫对地5个键，判断没有按键，接着对逐一对IO口进行扫键。但当对某一IO口扫键时，如果有对地的键按下，这时有可能会误判按键，因为对地键比其他键有更高的响应优先级。例如：扫IO1，IO1输出“0”，恰好此时K62按下，IO2检测到有按键，那就不能判断是K11还是K62。我们可以在程序上避免这种按键误判：若IO2检测到有按键，那下一步就去判断是否有对地键按下，如果没有，那就可以正确地判断是K11了。
我们小结扫键个数S：
S = (N-1)*N + N ――启用二极管
S = (N-1)*N /2 + N ――省掉二极管
           
经典吗？太经典了！！告诉大家一个小道消息：第一个设计出此电路的人是一个美国大佬，他（她？）还为此申请了专利！

新型的按键扫描程序
不过我在网上游逛了很久，也看过不少源程序了，没有发现这种按键处理办法的踪迹，所以，我将他共享出来，和广大同僚们共勉。我非常坚信这种按键处理办法的便捷和高效，你可以移植到任何一种嵌入式处理器上面，因为C语言强大的可移植性。


同时，这里面用到了一些分层的思想，在单片机当中也是相当有用的，也是本文的另外一个重点。


对于老鸟，我建议直接看那两个表达式，然后自己想想就会懂的了，也不需要听我后面的自吹自擂了，我可没有班门弄斧的意思，hoho～～但是对于新手，我建议将全文看完。因为这是实际项目中总结出来的经验，学校里面学不到的东西。


以下假设你懂C语言，因为纯粹的C语言描述，所以和处理器平台无关，你可以在MCS-51，AVR，PIC，甚至是ARM平台上面测试这个程序性能。当然，我自己也是在多个项目用过，效果非常好的。

好了，工程人员的习惯，废话就应该少说，开始吧。以下我以AVR的MEGA8作为平台讲解，没有其它原因，因为我手头上只有AVR的板子而已没有51的。用51也可以，只是芯片初始化部分不同，还有寄存器名字不同而已。


核心算法：


unsigned char Trg;

unsigned char Cont;

void KeyRead( void )

{

    unsigned char ReadData = PINB^0xff;      // 1

    Trg = ReadData & (ReadData ^ Cont);      // 2

    Cont = ReadData;                         // 3

}


完了。有没有一种不可思议的感觉？当然，没有想懂之前会那样，想懂之后就会惊叹于这算法的精妙！！


下面是程序解释：

Trg（triger） 代表的是触发，Cont（continue）代表的是连续按下。

1：读PORTB的端口数据，取反，然后送到ReadData 临时变量里面保存起来。

2：算法1，用来计算触发变量的。一个位与操作，一个异或操作，我想学过C语言都应该懂吧？Trg为全局变量，其它程序可以直接引用。

3：算法2，用来计算连续变量。

mugua

内容不全啊，麻烦楼主给下原帖链接吧，谢谢！

sonwendi

看到这里，有种“知其然，不知其所以然”的感觉吧？代码很简单，但是它到底是怎么样实现我们的目的的呢？好，下面就让我们绕开云雾看青天吧。

我们最常用的按键接法如下：AVR是有内部上拉功能的，但是为了说明问题，我是特意用外部上拉电阻。那么，按键没有按下的时候，读端口数据为1，如果按键按下，那么端口读到0。下面就看看具体几种情况之下，这算法是怎么一回事。

（1）       没有按键的时候

端口为0xff，ReadData读端口并且取反，很显然，就是 0x00 了。

Trg = ReadData & (ReadData ^ Cont); （初始状态下，Cont也是为0的）很简单的数学计算，因为ReadData为0，则它和任何数“相与”，结果也是为0的。

Cont = ReadData; 保存Cont 其实就是等于ReadData，为0；

结果就是：

ReadData ＝ 0；

Trg ＝ 0；

Cont ＝ 0；


（2）       第一次PB0按下的情况

端口数据为0xfe，ReadData读端口并且取反，很显然，就是 0x01 了。

Trg = ReadData & (ReadData ^ Cont); 因为这是第一次按下，所以Cont是上次的值，应为为0。那么这个式子的值也不难算，也就是 Trg = 0x01 & (0x01^0x00) = 0x01

Cont = ReadData = 0x01；

结果就是：

ReadData ＝ 0x01；

Trg ＝ 0x01；Trg只会在这个时候对应位的值为1，其它时候都为0

Cont ＝ 0x01；


（3）       PB0按着不松（长按键）的情况

端口数据为0xfe，ReadData读端口并且取反是 0x01 了。

Trg = ReadData & (ReadData ^ Cont); 因为这是连续按下，所以Cont是上次的值，应为为0x01。那么这个式子就变成了 Trg = 0x01 & (0x01^0x01) = 0x00

Cont = ReadData = 0x01；

结果就是：

ReadData ＝ 0x01；

Trg ＝ 0x00；

Cont ＝ 0x01；

因为现在按键是长按着，所以MCU会每个一定时间（20ms左右）不断的执行这个函数，那么下次执行的时候情况会是怎么样的呢？

ReadData ＝ 0x01；这个不会变，因为按键没有松开

Trg ＝ ReadData & (ReadData ^ Cont) ＝ 0x01 & (0x01 ^ 0x01) = 0 ，只要按键没有松开，这个Trg值永远为 0 ！！！

Cont ＝ 0x01；只要按键没有松开，这个值永远是0x01！！


（4）       按键松开的情况

端口数据为0xff，ReadData读端口并且取反是 0x00 了。

Trg = ReadData & (ReadData ^ Cont) = 0x00 & (0x00^0x01) = 0x00

Cont = ReadData = 0x00；

结果就是：

ReadData ＝ 0x00；

Trg ＝ 0x00；

Cont ＝ 0x00；

很显然，这个回到了初始状态，也就是没有按键按下的状态。


总结一下，不知道想懂了没有？其实很简单，答案如下：

Trg 表示的就是触发的意思，也就是跳变，只要有按键按下（电平从1到0的跳变），那么Trg在对应按键的位上面会置一，我们用了PB0则Trg的值为0x01，类似，如果我们PB7按下的话，Trg 的值就应该为 0x80 ，这个很好理解，还有，最关键的地方，Trg 的值每次按下只会出现一次，然后立刻被清除，完全不需要人工去干预。所以按键功能处理程序不会重复执行，省下了一大堆的条件判断，这个可是精粹哦！！Cont代表的是长按键，如果PB0按着不放，那么Cont的值就为 0x01，相对应，PB7按着不放，那么Cont的值应该为0x80，同样很好理解。

如果还是想不懂的话，可以自己演算一下那两个表达式，应该不难理解的。


因为有了这个支持，那么按键处理就变得很爽了，下面看应用：

应用一：一次触发的按键处理

假设PB0为蜂鸣器按键，按一下，蜂鸣器beep的响一声。这个很简单，但是大家以前是怎么做的呢？对比一下看谁的方便？

#define KEY_BEEP 0x01

void KeyProc(void)

{

       if (Trg & KEY_BEEP) // 如果按下的是KEY_BEEP

    {

         Beep();            // 执行蜂鸣器处理函数

    }

}


怎么样？够和谐不？记得前面解释说Trg的精粹是什么？精粹就是只会出现一次。所以你按下按键的话，Trg & KEY_BEEP 为“真”的情况只会出现一次，所以处理起来非常的方便，蜂鸣器也不会没事乱叫，hoho～～～


或者你会认为这个处理简单，没有问题，我们继续。


应用2：长按键的处理

项目中经常会遇到一些要求，例如：一个按键如果短按一下执行功能A，如果长按2秒不放的话会执行功能B，又或者是要求3秒按着不放，计数连加什么什么的功能，很实际。不知道大家以前是怎么做的呢？我承认以前做的很郁闷。

但是看我们这里怎么处理吧，或许你会大吃一惊，原来程序可以这么简单


这里具个简单例子，为了只是说明原理，PB0是模式按键，短按则切换模式，PB1就是加，如果长按的话则连加（玩过电子表吧？没错，就是那个！）


#define KEY_MODE 0x01    // 模式按键

#define KEY_PLUS 0x02     // 加

void KeyProc(void)

{

       if (Trg & KEY_MODE) // 如果按下的是KEY_MODE，而且你常按这按键也没有用，

    {                    //它是不会执行第二次的哦 ， 必须先松开再按下

         Mode++;         // 模式寄存器加1，当然，这里只是演示，你可以执行你想

                         // 执行的任何代码

    }

   

    if (Cont & KEY_PLUS) // 如果“加”按键被按着不放

    {

         cnt_plus++;       // 计时

         if (cnt_plus > 100) // 20ms*100 = 2S 如果时间到

         {

              Func();      // 你需要的执行的程序

         }           

    }

}


不知道各位感觉如何？我觉得还是挺简单的完成了任务，当然，作为演示用代码。


应用3：点触型按键和开关型按键的混合使用

点触形按键估计用的最多，特别是单片机。开关型其实也很常见，例如家里的电灯，那些按下就不松开，除非关。这是两种按键形式的处理原理也没啥特别，但是你有没有想过，如果一个系统里面这两种按键是怎么处理的？我想起了我以前的处理，分开两个非常类似的处理程序，现在看起来真的是笨的不行了，但是也没有办法啊，结构决定了程序。不过现在好了，用上面介绍的办法，很轻松就可以搞定。

原理么？可能你也会想到，对于点触开关，按照上面的办法处理一次按下和长按，对于开关型，我们只需要处理Cont就OK了，为什么？很简单嘛，把它当成是一个长按键，这样就找到了共同点，屏蔽了所有的细节。程序就不给了，完全就是应用2的内容，在这里提为了就是说明原理～～


好了，这个好用的按键处理算是说完了。可能会有朋友会问，为什么不说延时消抖问题？哈哈，被看穿了。果然不能偷懒。下面谈谈这个问题，顺便也就非常简单的谈谈我自己用时间片轮办法，以及是如何消抖的。

延时消抖的办法是非常传统，也就是 第一次判断有按键，延时一定的时间（一般习惯是20ms）再读端口，如果两次读到的数据一样，说明了是真正的按键，而不是抖动，则进入按键处理程序。

当然，不要跟我说你delay（20）那样去死循环去，真是那样的话，我衷心的建议你先放下手上所有的东西，好好的去了解一下操作系统的分时工作原理，大概知道思想就可以，不需要详细看原理，否则你永远逃不出“菜鸟”这个圈子。当然我也是菜鸟。我的意思是，真正的单片机入门，是从学会处理多任务开始的，这个也是学校程序跟公司程序的最大差别。当然，本文不是专门说这个的，所以也不献丑了。

我的主程序架构是这样的：




volatile unsigned char Intrcnt;

void InterruptHandle()    // 中断服务程序

{

       Intrcnt++;          // 1ms 中断1次，可变

}


void main(void)

{

       SysInit();

    while(1)           // 每20ms 执行一次大循环

    {

        KeyRead();             // 将每个子程序都扫描一遍

        KeyProc();

        Func1();

        Funt2();

        …

        …

           while(1)

        {

              if (Intrcnt>20)     // 一直在等，直到20ms时间到

              {

                   Intrcnt="0";

                   break;       // 返回主循环

              }

        }

       }

}


貌似扯远了，回到我们刚才的问题，也就是怎么做按键消抖处理。我们将读按键的程序放在了主循环，也就是说，每20ms我们会执行一次KeyRead()函数来得到新的Trg 和 Cont 值。好了，下面是我的消抖部分：很简单


基本架构如上，我自己比较喜欢的，一直在用。当然，和这个配合，每个子程序必须执行时间不长，更加不能死循环，一般采用有限状态机的办法来实现，具体参考其它资料咯。


懂得基本原理之后，至于怎么用就大家慢慢思考了，我想也难不到聪明的工程师们。例如还有一些处理，

怎么判断按键释放？很简单，Trg 和Cont都为0 则肯定已经释放了。

Korallenmeer

好帖，强势顶起！

aytc100

顶

sonwendi

键盘少的可以用此法，很简便~

172788601

厉害

弈秋

很强大，学习了。

Sampson

white1sky

挺不错的 ，有机会试试~~

mugua

图呢？