1. 背景

1.1 機械按鍵硬件原理

機械按鍵是指在硬件電路中，通過機械按鍵開關實現電平信號的通斷來達到按鍵觸發的硬件組件，見圖1.1:

圖1.1

嵌入式等電子設計中，機械按鍵的檢測兩種方法：

● 掃描檢測：定時掃描IO口狀態

● 中斷檢測：啟用IO中斷

??此后的內容都是圍繞定時掃描IO口狀態的方式展開的。

1.2 機械按鍵抖動

1.2.1 抖動原因

由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上就穩定的接通，在斷開時也不會一下子徹底斷開，而是在閉合和斷開的瞬間伴隨了一連串的抖動。設按鍵時間為Ta，抖動時間Td，則Ta、Td的特性如下（見圖1.2.1）：
● Ta≈100ms（最快50ms）；
● Td≈10ms；

圖1.2.1

1.2.2 按鍵消抖

理想的按鍵波形是沒有抖動的，但實際的波形是有電平抖動的，對實際波形進行數字化抽象后會發現數字信號存在毛刺，見圖1.2.2：

圖1.2.2

為了消除電平信號的毛刺，目前工程上有兩種手段，硬件消抖和軟件消抖：

A. 硬件消抖

● 在硬件電路上和按鍵并聯濾波電容

B. 軟件消抖

● 延時確認：當檢測到按鍵狀態改變時，先延時20ms，再次檢測按鍵；
● 持續采樣：持續采集按鍵狀態，用數字狀態機邏輯來判斷按鍵動作。

硬件消抖需要增加元器件，增加項目成本，軟件消抖采用延時確認方式時，軟件程序需要延時等待，延時過程不能進行其他處理，對程序架構不太友好，而持續采樣不會對程序流程造成阻塞，后續對持續采樣方式進行深入闡述。

2. 數字邏輯狀態機的軟件實現

2.1 抽象建模

2.1.1 按鍵操作狀態抽象

一次按鍵動作可以抽象為3個狀態，按下、抬起、長按：
● Keydown：一次按鍵操作的按下
● Keyup：一次按鍵操作的抬起
● Keypress：一次按鍵操作持續按住按鍵

圖2.1.1

2.1.2 系統抽象

將軟件掃描按鍵狀態的軟件系統進行數字邏輯電路抽象：
● 時鐘抽象：軟件每隔20ms采集一次按鍵的狀態;
● 狀態抽象：連續掃描3次得到狀態序列011時，keydown才置1;
● 邏輯電路抽象：可以抽象為串行數據檢測器，只有輸入011才置1，采用同步時序邏輯電路的設計思路。

圖2.1.2

2.2 數字邏輯算法實現

2.2.1 數字邏輯抽象

A. 變量定義

● Scankey：軟件定時掃描的按鍵IO口狀態（0/1);
● Keydown：一次按鍵操作的按下;

B. 狀態邏輯抽象

● 設按鍵輸入Scankey為X，輸出結果Keydown為Y;
● 設沒有1輸入以前的狀態為a;
● 設輸入一個1后為狀態為b;
● 設前后有兩個1輸入后狀態為c;
● 設連續有三個1狀態為d

C. 狀態轉換圖

經過上面的數字邏輯抽象后，可以得到狀態轉換圖和狀態轉換表：

圖2.2.1

2.2.2 求解過程

A. 化簡狀態轉換圖

通過上節的狀態轉換圖和狀態轉換表（圖2.2.1）可看出，狀態c和狀態d擁有相同的狀態轉換路徑，所以可以將狀態c和狀態d合并為同一個狀態c，化簡后得到相應的狀態轉換圖和狀態轉換表，見圖2.2.2.A：

圖2.2.2.A

B. 卡諾圖

根據狀態分配原則，狀態M=3，所以取觸發器位數n=2，可以選用兩個D觸發器：D0和D1，且輸出為Q0、Q1。如果取Q1Q0的狀態00、01、10分別代表狀態a、b、c，依據狀態轉換圖得到如下卡諾圖。

圖2.2.2.B

C. 分解卡諾圖

將卡諾圖分解，得到圖2.2.2.C：

圖2.2.2.C

D. 解方程

● 由Q1*、Q0*的卡諾圖，可得狀態方程：

Q1*=XQ0 +XQ1Q0*=XQ1ˊQ0ˊ

● 又因為D觸發器特性方程為Q*=D，所以有：

Q0* = D0Q1* = D1

● 結合狀態方程，得驅動方程：

D1 = XQ0 +XQ1D0 = XQ1ˊQ0ˊ

● 由Y的卡諾圖得輸出方程：

Y = XQ0

E. 轉為C程序算法

定義每次掃描得到的按鍵電平信號狀態的變量為Scankey，得按鍵按下Keydown相應C代碼：

D1=Scankey & (Q0 | Q1); D0=Scankey & (~Q0) & (~Q1); Keydown=Scankey & Q0;Q1=D1;Q0=D0;

系統設計時申請一個時鐘定時器資源，20sm觸發一次，每次觸發定時中斷時掃描得到按鍵電平狀態Scankey，并進行上述算法運算，得到Keydown狀態，同理可推出Keyup和Keypress的算法，感興趣者可自行推算。

3. 總結

上述數字狀態機軟件可以把一次按鍵操作的Keydown、Keyup、Keypress一起檢出，代碼精簡，效率高。當然這種方式對系統實時性有要求，狀態會隨輸入改變而改變，同時耗費系統定時器資源，需要定時查詢。

審核編輯 ：李倩