MSP430 键盘

作者魏小龙 南航 MSP430 选修课试用教材 第 71 页

 

 

1 按键的工作原理
在单片机设计中常用轻触按键作为输入设备—键盘的单元电路。它一般结构是由两个电极与一个弹簧金属片构成的，如右图所示。当金属弹簧片上的 K按键 K 按下时，两个电极A 与B 被连通。但实际使用并非如此 A B简单，因为单片机的运行速度相对于操作者按下按键的速度来是太快了，所以就不得不考虑更多的一些细节问题。
先看看我们按按键的细节过程。这个细节主要是按下按键的前后都有抖动！如果按键的A 端接地，B 端接上拉电阻，则平时按键的B 端为高电平，当按键按下时为低电平，松开后又是高电平，这是理论值。而实际上呢。

如果将按键的 B 端信号送到MCU，系统会认为有几个低电平，按了几次按键呢。因为MCU 认为低电平是按键按下，而抖动过程有很多低电平，同时还有不短的时间，一般在10毫秒左右。那么怎么解决呢，常用的有3 种办法：使用R-S 触发器构成消抖动开关以消抖动；使用电阻与电容构成积分器将抖动滤除；使用软件延时的办法消除抖动。前两种方法使用硬件没什么好说的，最后一种使用的是软件的方法，怎么回事？其实很简单：当MCU 得知按键的B 端出现低电平时，就知道可能有按键按下了，于是等待10 毫秒，10 毫秒之后再检测按键的B 端，如果还是低电平，则就一般的机械按键而言，已经是处于稳定期了，按键的抖动被消除了；如果10 毫秒之后按键的B 端没有低电平了，则说明是干扰信号，而非按键按下。

 

 

2 键盘程序的一般编写方法
键盘是由若干上述的独立按键按一定的规则组合而成的。也就是说键盘的基本元素是按键，那么消除按键的抖动是必须的。键盘是由若干按键构成的，究竟是哪一个按下了呢，这就是通过判键得到键值。MCU 知道了是哪一个按键按下了之后是不是就该退出呢？如果这时退出，而按键还没有松开，则MCU 又知道了有按键按下，又去消除抖动，再判断是哪个按键按下，如果还没有松开，则又被认为有按键按下，…….这下惨了,本来你按了一次按键,而系统则认为你按了很多次按键。所以得到键值之后，还有一件事情就是等待按下按键的松开（注
意一点：如果系统中使用了看门狗，则在这里请不断地清空看门狗，因为如果使用者一直很长时间按着键，则看门狗超时、系统复位）。综合起来，一般的键盘程序有如下三个步骤：
A 消除按键抖动（如果使用硬件，则可略）；
B 判断是哪个按键按下，识别键码；
C 等待按键松开。

 

 

3 通用独立按键式键盘设计

在系统中需要少量按键时，可使用按键与单片机的 I/O 口线直接连接的方法构成。我们平常使用的电子表、计步机等，它们体积都很小巧，不可能使用很多按键构成输入部分，一般有4 个左右的按键。在这种情况下，就使用独立按键式键盘。

在软件的编写上，可采用查询方式，也可采用中断方式。因为MSP430 的P0、P1、P2等三个8 位端口都有中断能力，建议读者使用中断方式。键盘程序主要是按上述的三个步骤进行编写。在主程序中必须设置P1 口使之能进入中断。
主程序：（提供端口设置，使之能进入中断）

unsigned char keybuf; // 全局变量，键值缓存
……
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // 关闭看门狗
P1DIR = 0x0F； // 设置P1.4 －P1.7 为输入方向
P1IE = 0xf0； // 设置P1.4 －P1.7 可以中断
P1IES = 0xf0； // 设置P1.4 －P1.7 为下降沿中断
_BIS_SR(LPM3_bits + GIE); // 进入最低功耗睡眠，打开总总断开关
……
是否有按键按下的判断：由于连接在键盘上的端口都有上拉电阻，所以平常这些端口为高电平，按下之后为低电平，所以在按下之后可以判断P1IN 的内容中连接在键盘上的那些位，应该为“0”。所以下面的程序如果返回0xf0 则表示没有按键按下，如果返回不是0xf0 则表示有按键按下。
unsigned char p1keyj(void) // 判键子程序
{unsigned char x;
x=(P1IN&0Xf0); // P14--P17 接有按键
return(x); // 有按键返回非全 1
}
下面为键值的查找。下面的思路为一个一个地查找。

unsigned char keycode() // 找哪个按键被按下，查键值子程序
{
unsigned char x;
if((P1IN&0xf0)= = 0x80) // 是否第一个按键
then x=0;
else
if((P1IN&0xf0)= = 0x40) // 是否第二个按键
then x=1;
else
if((P1IN&0xf0)= = 0x20) // 是否第三个按键
then x=2;
else
if((P1IN&0xf0)= = 0x20) // 是否第四个按键
x=3;
return(x);
}
中断服务程序：
#pragma vector=PORT1_VECTOR
__interrupt void p1int(void)
{ //端口1 的中断服务程序
while(p1keyj()!=0xf0) //没有按键按下，返回全1――0xf0
{
delay(500); //延时消除抖动
while(p1keyj()!=0xf0)
{
keybuf = keycode();//确信有按键按下，找按键得键值，送到全局变量keybuf
while(p1keyj()= =0) //等待按键松开
; //做对应键盘的事务
}
}
}
以上程序使用中断方式，使用查询方式的程序差不多，这里略，请读者自己编写。

汇编主程序：
……
BIC.B # 0F0H, &P1DIR ；P1.4 －P1.7 为输入模式
BIS.B #0F0H, &P1IE ；P1.4 －P1.7 中断使能
BIS.B # 0F0H, &P1IES ；P1.4 －P1.7 下降沿触发中断
EINT ；总中断使能

……
中断服务程序： ；出口参数：按键键值在R5 中
P1KEY3 CALL #KEYJ3 ；判断是否有按键
JNC KEYEND ；没有则退出
CALL #DELAY10MS ；如有，则延时10 毫秒 消抖动
CALL #KEYJ3 ；再判键
JNC KEYEND ；如没有按下则退出
CALL #KEYCODE3 ；如有，则调认键程序得到键值
PUSH R5 ；保护键值
KEYLOOP CALL #KEYJ3 ；等待按键松开
JC KEYLOOP ；没有松开，则继续等待
POP R5 ；按键松开之后，恢复键值
KEYEND RETI
KEYJ3 BIT.B #07H， &P1IN ；判断有无按键按下，如果有，则C=1
RET ；如果没有按键按下，则C=0
KEYCODE BIT.B #BIT4, &P1IN ；判断3 个按键中是哪一个被按下
JNC K2
MOV #0, R5 ；如果是接到P1.4 的按键，则输出R5=0
RET
K2 BIT.B #BIT5, &P1IN
JNC K3
MOV #1, R5 ；如果是接到P1.5 的按键，则输出R5=1
RET
K3 BIT.B #BIT6, &P1IN
JNC K4
MOV #2, R5 ；如果是接到P1.6 的按键，则输出R5=2
K4 BIT.B #BIT7, &P1IN
JNC K5
MOV #3, R5 ；如果是接到P1.7 的按键，则输出R5=3
K5 RET

 

 

2． 6 列扫描式式键盘原理与应用

如果应用系统需要较多的按键呢，采用独立式键盘的结构则不能满足需要。比如需16 个按键，则独立式键盘将花费系统系统资源为16 条I/O 口线，显然是不科学的。这里使用行列扫描的方法实现键盘接口（也被叫作矩阵键盘），则可使用少量的I/O 口线连接较多的按键。图2.6.1 为通过MSP430 的P1 口接的4*4=16 个按键（编号为0~15）构成的行列式扫描键盘。
下面来分析如何在行列式扫描键盘上实现键盘的三个步骤：判键消抖动，键码识别，等待按下按键的松开

 

A 判断有无按键按下的判键
在图 2.6.1 中，P1 口的8 条I/O 口线被分为4 条行线P1.0~P1.3，4 条列线P1.4~P1.7，其中列线分别由电阻上拉到VCC。在行线与列线的每一个交界处有个按键，按键的两端A 与B分别接在行线与列线上。如果有按键按下，则与之相接的行线与列线被连通。在检测是否有按键按下时，先让四条行线P1.0~P1.3 输出低电平，读列线P1.4~P1.7，如果有按键按下，则列线读进来的数据为非“1”；如果没有按键按下，则因所有的列线被上拉，读入MCU 的数据为“1”。由此即可判断是否有按键被按下。相应程序如下。
汇编程序：
KEYJUDGE MOV.B #0FH,&P1DIR
MOV.B #00H,&P1OUT
BIT.B #0F0H,&P1IN ; 读四根列线是否有低,是否有按健
RET ; 若有，C=1
C语言程序：
unsigned char keyj(void)
{unsigned char x;
P1DIR=0x0f;
P1OUT=0x0; //键盘硬件：P10--P13 为行线，最上面一根为P10
x=(P1IN&0XF0); // P14--P17 为列线，

return(x); // 无按键，返回 0xf0; 有按键返回非 1
}
按键抖动的消除同样是使用软件延时的办法，当检测到有按键按下之后，等待10 毫秒在检测是否有按键被按下，如果这时有按下的键，则已经是键的稳定期。具体的程序请看稍后的键盘子程序。
B 按键识别，得到键码
对于行列式矩阵键盘常使用扫描的方法识别按键。在前面判键部分已经讲到，通过让四条行线P1.0~P1.3 输出低电平，读列线P1.4~P1.7 的办法来得知是否有按键被按下。那么可以用同样的办法来确认究竟是哪一个按键被按下。
假定图 2.5.1 中的15 号键被按下，那么下面的办法将能找到按下的按键。
（1） 输出P1.0 为低电平，其余P1.1~P1.7 都是高电平；
（2） 读入列线，如果P1.4 为低电平，则说明“K12”号键被按下，因为没有被按下，所以为高（被上拉）；再测试P1.5，看是否为低电平；……直到测试完P1.7；
（3） 然后再输出P1.1 为低电平，其余P1.2~P1.7、P1.0 都是高电平；
（4） 读入列线，如果P1.4 为低电平，则说明“K8”号键被按下，因为没有被按下，所以为高（被上拉）；再测试P1.5，看是否为低电平；……直到测试完P1.7；
（5） 输出P1.2 为低，……
（6） 读列线，……
（7） 输出P1.3 为低电平…….
（8） 这时，读列线，就会发现P1.7 为低电平了，为什么被上拉的I/O 口线会是低电平呢，因为它与低电平输出的P1.3 连在了一起！由此就找到了被按下的按键连接在P1.3 与P1.7 上。这种方法常被称为扫描法，因为行输出是一个0，一个0 地输出，就象电视机的扫描线，一行一行地扫一样。
上面所讲述的办法找到了被按下按键的确切位置，但识别按键最终要送出一个表示按键位置的键值。究竟给一个什么数据来表示该位置上的按键呢。一般的方法是将输出的行扫描码与读入的列值组合起来，就是表示被按下按键位置的数据，比如第15 号按键被按下，则行扫描码为08H，而读入的列数据为08H（P1 口的高4 位），所以15 号按键的键值为“88H”。同样9 号键的键值为“42H”。很明显，这样的键值数据太疏松了，跨度很大，这样会给使用键盘的其他程序带来很大的不便。
4 条行线，4 条列线连接了16 个按键，如果能让所有16 个按键的编码为0~15，与图中所给的按键编号一样，那是最理想的。我们发现每一行线都通过4 个按键与4 条列线相连接，能不能给第一条行线上的4 个按键编码为0~3；后一条行线上的4 个按键为前一条行线上对应的按键键值加4 呢？答案是肯定的。先看如下的程序框图（图2.6.2）。

行内相邻两键键值为加 1 递增，行间每列上两相邻两键为加4 递增。这样便实现了按键键值的自然顺序编码。汇编程序如下。
KEYCODE MOV.B #0,&P5DIR ；关闭显示
MOV.B #0FH,&P1DIR ;低4 位作为扫描线行输出，高4 位作为列线读入
MOV #0,R9
MOV #1,R8
KEYCODELOOP MOV.B R8,&P1OUT ;R8 为扫描信号的输出
BIT.B #10H,&P1IN
JC KEYCODE1 ;测试P1.4
BIT.B #20H,&P1IN

JC KEYCODE2 ;测试P1.5
BIT.B #40H,&P1IN
JC KEYCODE3 ;测试P1.6
BIT.B #80H,&P1IN
JC KEYCODE4 ;测试P1.7
RLA.B R8 ；改变扫描码
ADD.B #4,R9 ；键值的行间改变
CMP.B #12,R9 ；四根行线扫描完了吗
JNZ KEYCODELOOP
RET
KEYCODE1 ADD #0,R9 ；键值的行内改变
RET
KEYCODE2 ADD #1,R9
RET
KEYCODE3 ADD #2,R9
RET
KEYCODE4 ADD #3,R9
RET
C语言程序如下：
unsigned char key(void) //此程序键盘为4 行*3 列，12 个按键
{
unsigned char x=0xff;
P1DIR=0X0F;
P1OUT=0X01; //扫描第一行
if((P1IN&0X70)==0X10) //如果第一行、第一根列线上有键按下，则键值为0
x=0;
else
if((P1IN&0X70)==0X20) //如果第一行、第二根列线上有键按下，则键值为1
x=1;
else
if((P1IN&0X70)==0x40) // 如果第一行、第三根列线上有键按
x=2; //下，则键值为2
else
{
P1OUT=0X2; //扫描第二行
if((P1IN&0X70)==0X10) //如果第二行、第一根列线上有键按下，则键值为3
x=3;
else
if((P1IN&0X70)==0X20) //如果第二行、第二根列线上有键按
x=4; //下，则键值为4

else
if((P1IN&0X70)==0x40) //如果第二行、第三根列线上有键按
x=5; //下，则键值为5
else
{
P1OUT=0X4; //扫描第三行，以下与上相同
if((P1IN&0X70)==0X10)
x=6;
else
if((P1IN&0X70)==0X20)
x=7;
else
if((P1IN&0X70)==0x40)
x=8;
else
{P1OUT=8; //扫描第四行
if((P1IN&0X70)==0X10)
x=9;
else
if((P1IN&0X70)==0X20)
x=10;
else
if((P1IN&0X70)==0x40)
x=11;
}
}
}
return(x);
}

 

C 等待按键松开
这与独立式键盘一样，反复调用判键子程序，直到判断结果为没有按键按下为止。程序略，与前相同。
D 完整的扫描式键盘程序
上面所讲述的只是键盘程序的一些详细细节与实用键盘子程序，完整的键盘程序则有很多中方式。图2.6.3 所示的键盘流程图是工作在查询方式的键盘程序，可以看出，采用此方式时，MCU 一直在查询有没有按键被按下，MCU 不能做其他的事情，只有等按了按键之后，才会有时间处理相应的事务。这种方式MCU 的效率肯定低下。在实际应用中，键盘只是输入部分。它的功能是送给MCU 用户的输入。所以为了提高MCU 的效率，所以为了提高MCU的效率，常使用中断的方式实现键盘输入。

中断方式的键盘实现又有两种形式：直接 I/O 口中断与定时器中断。它们的流程图分别见图2.6.4 与图2.6.5

两流程框图的差别在于，使用 I/O 口线中断方式有延时消除抖动的过程，而使用定时器中断查键盘则没有延时去抖动细节。因为定时器的定时时间就是消抖动的时间，比如10 毫秒。
首先设置两个标志位FF1、FF2，其中FF1 用于去抖动标志，FF2 用于按键识别完成标志。初始值都是0，表示没有去抖动与没有完成按键的识别。当进入中断时，如果FF1 为0，则没有消抖动，那么判断是否有键按下，如有，设置FF1=1，并退出程序，等待下次中断（等10 毫秒）。如果再次中断，则继续判断是否有键按下，如有，说明是真正的按键被按下，而且已是键盘的稳定期，调键码识别子程序得到键值，设置FF2=1，表示完成了按键的识别；如果没有按键被按下，则设置FF1=0，退出。如果这时再次中断，显然都是一次按键，FF2=1 同时表明没有松开按键，也就退出了。等到按键被松开时，设置FF1=0、FF2=0，为再次按键作准
备。
使用 I/O 口中断方式键盘程序如下(使用定时器中断方式键盘程序请读者自己编写)：
P1KEY_INT CALL # KEYJUDGE ；判断是否有按键
JNC KEYEND ；没有则退出
CALL #DELAY10MS ；如有，则延时10 毫秒 消抖动
CALL # KEYJUDGE ；再判键
JNC KEYEND ；如没有按下则退出
CALL #KEYCODE ；如有，则调认键程序得到键值
PUSH R5 ；保护键值
KEYLOOP CALL # KEYJUDGE ；等待按键松开
JC KEYLOOP ；没有松开，则继续等待
POP R5 ；按键松开之后，恢复键值
KEYEND RETI