GPIO口的輸入功能-機械按鍵狀態的識別

硬件： 深圳標航科技有限公司 暴風 開發板

處理器:GD32F103VET6

開發環境：MDK(keil 5) + STM32CubeMX

1.1 GPIO口的輸入的作用

輸入，其意是指將處理器外部的邏輯信號0或者1輸入到處理器的內部。輸入是每一個處理器的IO引腳的基本功能。利用處理器的輸入功能我們可以獲取外部電路的狀態，進而做出進一步的判斷。GPIO的輸入功能的典型應用是獲取機械按鍵的狀態—判斷按鍵是按下還是彈起。

1.2 機械按鍵狀態的識別

1.2.1 機械按鍵電路的設計

按鍵有兩個狀態，一個是按下一個是彈起。通過巧妙的電路設計，會使得按鍵的按下與彈起時IO引腳的邏輯電平不一樣。通過GPIO引腳的輸入功能將這些邏輯電平輸入到內部供處理器識別，由此可知按鍵是按下還是彈起，并做出進一步的判斷。

下面我們先來討論按鍵電路的設計。常用的按鍵電路設計如圖1的(a)和(b)所示。

(a)

(b)

圖1 按鍵電路設計

先來看圖1的(a)圖，在(a)圖中，按鍵的一端接地，另一端接IO引腳，接IO引腳這一端通過一個電阻連接到高電平VCC(這種電阻叫上拉電阻)。在沒有按鍵按下時，由于處理器吸取的電流非常非常小，R1兩端可以認為沒有電流流動，所以它們兩邊電位一樣，也即IO引腳的電平跟VCC基本一樣，此時IO引腳端為高電平。當按鍵按下后，IO引腳和地端相連，IO引腳直接變為了低電平。通過這個分析，我們得出圖1(a)按鍵電路的特點如下：

(1)沒有按鍵按下，IO引腳為高電平；

(2)有按鍵按下，IO引腳為低電平。

所以，如果處理器某個時候讀到這個引腳信號為0，說明此時按鍵按下了，如果讀到為1，說明按鍵沒有按下。

再來看圖1的(b)圖，圖1(b)中，按鍵一端接高電平，另一端接IO引腳，其中接IO引腳這一端通過一個電阻接到地(這種電阻叫下拉電阻)。圖1(b)按鍵電路的特點如下：

(1)沒有按鍵按下時，IO引腳為低電平；

(2)有按鍵按下時，IO引腳為高電平。

所以，如果處理器某個時候讀到這個引腳信號為1，說明此時按鍵按下了，如果讀到為0，說明按鍵沒有按下。

暴風開發板的按鍵電路如圖2所示，可以看到，在標航的暴風開發板中特意將兩個按鍵分別按圖1的(a)和(b)來連接，以便讀者學習這兩種按鍵電路按鍵狀態的識別，這個設計比較人性化，可以照顧不同開發者的不同應用場合。

圖2 暴風開發板按鍵電路圖

圖2中要注意，此時電路設計沒有在PE2和PA0兩個引腳分別連一個電阻到VCC和地，所以我們得在GD32的內部這兩個引腳這里分別使能這兩個電阻(GD32和STM32的每個IO引腳內部都配有一對受控的上下拉電阻)。

1.2.2 機械按鍵狀態識別的思路設計

通常，我們都是設計一個函數來單獨判斷按鍵是否按下，這個按鍵函數的思路設計如下：

uint8_t Key_Scan(void)
{
   if(KEY0_Status == 0) || (WK_UP1_Status == 1)  //說明有按鍵按下了
   {
      if(KEY0_Status == 0)     return KEY0_Value;
      if(WK_UP1_Status == 1)  return WK_UP1_Value;
}
return KEY0_NO;
}

在函數Key_Scan中，我們先判斷KEY0的狀態是不是0或者WK_UP1的狀態是不是為1，如果KEY0的狀態是0或者WK_UP1的狀態是1，說明按鍵按下了，接下來進行細分，看看是KEY0按下還是WK_UP1按下，并返回對應的按鍵值。

對于Key_Scan函數的調用，我們可以在主函數中這樣調用

int main(void)
{
      uint8  keyvalue = 0;
    系統初始化；
      while(1)
      {
         keyvalue = Key_Scan();
         if(keyvalue == KEY0_Value) LED0 = ~LED0; // LED0狀態反轉
         if(keyvalue == WK_UP1_Value) LED1 = ~LED1;// LED1狀態反轉
    }
}

在主函數中，我們循環執行按鍵掃描，如果發現按鍵掃描函數返回的是KEY0_Value，則將LED0的狀態反轉，如果返回的是WK_UP1_Value，則將LED1的狀態反轉。總的來說，我們是希望按下一次按鍵，對應的LED的狀態就反轉。

上面這兩個函數的配合是否有問題呢？表面看來好像沒有問題，但是當你用這個思路去完善程序并下載到開發板執行的時候，你會發現按鍵按下時，燈的狀態是不受控的，這個不受控的原因是什么呢？我們看一下整個執行過程。

假設有按鍵KEY0按下，則整個過程為

①執行語句“keyvalue = Key_Scan();”此時返回KEY0_Value，接著執行判斷并使得LED0狀態反轉一次，這個過程持續時間非常短，1ms內估計就能執行完。

②又回來執行語句“keyvalue = Key_Scan();”，此時由于按鍵仍然處于按下狀態(人為按下時，按鍵的按下狀態通常會超過100ms，典型的是600ms左右)，所以又會返回KEY0_Value，接著執行判斷并使得LED0狀態又反轉一次。

注意，此時按鍵的狀態已經變化兩次了，但是我們只是執行一次按下而已!!!!!

繼續往下分析，你會發現按鍵按下一次時，這個判斷系統會執行多次返回，這是錯誤的。錯誤的原因在哪里呢？在Key_Scan這個函數中，這個函數里面只要KEY0_Status等于0，它就會返回一次KEY0_Value，所以我們需要加一個變量，用于描述按鍵的當前狀態，如果當前按鍵已經按下了，則這里就不需要再次判斷了。由于這個變量描述按鍵的按下與彈起狀態，在Key_Scan執行完后也不能釋放它的存儲空間，所以我們需要用static修飾它，此時的Key_Scan函數需要修改如下：

uint8_t Key_Scan(void)
{
   static  uint8_t  flag = 0; //flag =0說明當前是彈起，=1說明是按下
   /*如果剛才是彈起但現在有按鍵按下則判斷是那個按鍵按下，同時將按鍵狀態置為1*/
   if((flag == 0)&&((KEY0_Status == 0) || (WK_UP1_Status == 1)))     {
      flag = 1;
      if(KEY0_Status == 0)     return KEY0_Value;
      if(WK_UP1_Status == 1)  return WK_UP1_Value;
}
return KEY0_NO;
}

將Key_Scan函數修改為上面的樣子后，解決了按下一次就執行一次返回，避免了按下一次則返回多次的問題。但是它仍然是有重大缺陷的，因為我們按下一次按鍵后，flag被設置為1了，當按鍵再次被按下時里面的按下判斷再也得不到執行，也即剛剛修改后的函數只能判斷一次按鍵按下。要想將flag恢復為0，我們要在Key_Scan中增加彈起的語句，如果彈起了，將flag設置為0，則就可以解決多次按下后都能觸發判斷的問題了。增加判斷后的Key_Scan函數如下：

uint8_t Key_Scan(void)
{
   static  uint8_t  flag = 0; //flag =0說明當前是彈起，=1說明是按下
   /*如果剛才是彈起但現在有按鍵按下則判斷是那個按鍵按下，同時將按鍵狀態置為1*/
   if((flag == 0)&&((KEY0_Status == 0) || (WK_UP1_Status == 1)))  
   {
      flag = 1;
      if(KEY0_Status == 0)     return KEY0_Value;

      if(WK_UP1_Status == 1)  return WK_UP1_Value;
}
/*如果剛才按鍵按下，現在彈起了，則設置flag=0*/
   if((flag == 1)&&((KEY0_Status == 1) && (WK_UP1_Status == 0)))     {
      flag = 0;
  }
  return KEY0_NO;
}

注意，按鍵彈起指的是所有按鍵的彈起，所以(KEY0_Status == 1) && (WK_UP1_Status == 0)這里要用邏輯與，體現出“而且”之意。

至此，機械按鍵狀態識別的關鍵問題就解決了。

1.2.3 機械按鍵的抖動及其消除

雖然關鍵問題解決了，但還有一些細節要注意，這個細節就是按鍵的抖動。

以圖3的按鍵電路為例，當按鍵按下時，PE2引腳的電平狀態如圖4所示。

圖3 按鍵電路圖

圖4 按鍵按下過程

由圖4可見，按鍵按下時，PE2并不是馬上變為低電平，而是有一個漸變過程，而在彈起時也不是馬上變為高電平，它也有一個漸變過程。這些漸變過程我們叫做抖動。在進行按鍵的按下與彈起時，我們都要進行抖動的消除。消除的方法非常簡單，就是延時。通常，抖動持續的時間在10ms之內，所有，我們只要進行10ms的延時可以解決掉絕大部分機械按鍵的抖動—如果解決不了，此時就要用示波器測一下你的按鍵按下與放開時的信號，看看具體的抖動是多少，然后增加延時消除它，筆者就曾遇到過需要延時20ms的情況……

這個消抖的過程如下：

1、按下的消抖

if(按鍵按下)
{
   Delay(10ms);
   if(按鍵按下)
   {
      按鍵是真的按下，執行相應的動作；
    }
}

2、彈起的消抖

if(按鍵彈起)
{
Delay(10ms);
if(按鍵彈起)
{
按鍵是真的彈起了，執行相應的動作；
}
}

1.2.4 完整的按鍵判斷程序

加入消抖后，整個按鍵判斷的函數可以修改如下

uint8_t KEY_Scan(void)
{
      static  uint8_t  flag=0; //按鍵彈起為0，按下為1
      if(( flag == 0) && ((KEY0_Status == 0)||(WK_UP1_Status == 1)))
      {  
         /*按鍵剛剛處于彈起狀態，但現在有按下*/
         HAL_Delay(10);    //延時10ms,消除抖動
         if((KEY0_Status == 0)||(WK_UP1_Status == 1))
         {  
            /*確實有按鍵按下*/
            flag = 1;   //按鍵為按下狀態
            if(KEY0_Status == 0)  return KEY0_Value;
            if(WK_UP1_Status == 1) return WK_UP1_Value;
         }  
      }
     if((flag == 1) && ((KEY0_Status == 1) && (WK_UP1_Status == 0)))
      {  
         /*按鍵處于彈起狀態而且剛才是按下狀態*/
         HAL_Delay(10);    //消除彈起抖動
         if((KEY0_Status == 1) && (WK_UP1_Status == 0))

         {
            flag = 0;   //按鍵彈起了
         }  
      }
      return  KEY_NO;   //沒有按鍵按下返回KEY_NO
}

1.3 按鍵狀態判斷實驗

下面我們通過一個例子來驗證按鍵狀態的識別。

【例1】已知按鍵電路和LED電路如圖5所示，編寫程序實現以下功能：

按下按鍵KEY0， LED0的狀態反轉；按下按鍵WK_UP1，LED1的狀態反轉。

圖5 按鍵電路和LED電路示意圖

【實現過程】

1.配置RCC的高速時鐘來自于外部晶體陶瓷晶振，并且設置HCLK的頻率為72Mhz。

2.設置調式方式為Serial Wire。

以上兩步不懂如何設置的可以回頭看一下【模塊一 GPIO口的輸出功能-LED的閃爍實驗】這一部分的步驟介紹。

3.設置PE12、PE13引腳的工作模式為輸出，PE12的User Label選項為LED0，PE13的User Label設置為LED1，以使能更加直觀方便。另外，一開始我們將這兩盞LED燈都點亮，以方便觀察結果。PE12和PE13的設置結果如圖6所示。

圖6 PE12和PE13的設置過程

4.設置PE2和PA0為輸入。PE2引腳上拉電阻使能，PA0引腳下拉電阻使能。同時設置PE2的用戶標號為KEY0，設置PA0引腳的標號為WK_UP1,。PE2引腳的設置如圖7所示，PA0引腳的設置如圖8所示。

圖7 PE2引腳的設置結果示意圖

圖8 PA0引腳的設置

5.設置好后，給工程取名，同時選擇IDE，并生成工程代碼。

6.添加代碼。

①編寫按鍵識別的C語言文件，其內容如圖9所示。

圖9 key.c中內容示意圖

②在key.h中定義KEY0_Value等宏名，如圖10所示。

圖10 KEY0_Value等的定義示意圖

③修改主函數，其內容如圖11所示。

圖11 主函數的內容示意圖

在主函數中，注意要將頭文件key.h包含進工程，如圖12所示。

至此，工程的代碼添加完畢，編譯后下載到開發板，按復位鍵，然后按KEY0或者WK_UP0，可以看到對應的LED燈的狀態反轉，任務目標完成。

1.4 按鍵識別實驗用到的HAL庫的函數解讀

1.引腳電平反轉函數 HAL_GPIO_TogglePin()

在主函數main的while循環中，我們使用到了函數HAL_GPIO_TogglePin，這個函數的相關信息為

●作用：將某個IO引腳的輸出電平反轉。比如要反轉PE12引腳的電平，我們可以采用如下的方式來調用該函數：

HAL_GPIO_TogglePin(GPIOE, GPIO_PIN_12);

●函數參數，有兩個，第一個用于指明要反轉信號的引腳位于第幾組GPIO口，第二個用于指明要反轉的是哪一個引腳的信號。

是不是很方便呢？

最后要注意，函數HAL_GPIO_TogglePin要使用于將IO引腳已經配置為輸出的場合。

2.讀引腳信號函數HAL_GPIO_ReadPin()

在key.c函數中，有一個宏定義

#define KEY0_Status HAL_GPIO_ReadPin(KEY0_GPIO_Port, KEY0_Pin)

里面用到了一個函數HAL_GPIO_ReadPin，這個函數相關的信息如下：

●作用：讀取某個引腳的狀態。比如要讀取PA0的狀態，我們可以采用如下的方式來調用該函數

HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0)；

●函數參數，有兩個，第一個用于指明要讀取信號的引腳位于那組GPIO口，第二個參數用于指明是那個引腳。

注意，函數HAL_GPIO_ReadPin使用于IO引腳已經設置為輸入的場合

1.5 GPIO輸入功能總結

在使用GD32/STM32的IO引腳時要注意以下兩點：

1.如果引腳外部沒有上拉電阻或者下拉電阻，則可能需要在引腳內部使能上拉電阻或者下拉電阻。

2.對按鍵狀態進行識別時，一定要注意防止按下一次時有多次返回值。